Në një studim të ri të publikuar në Physical Review Letters, studiuesit kanë arritur me sukses të ndjekin udhëtimin e plotë të një vale gravitacionale nga e kaluara e pafundme deri në të ardhmen e pafundme teksa përballet me një vrimë të zezë.
Raportuar nga shkencëtarë nga Universiteti i Otago-s dhe Universiteti i Canterbury-t, studimi përfaqëson herën e parë që është kapur marrëdhënia e plotë shkak-pasojë e përhapjes së një vale gravitacionale në një simulim të vetëm.
Studiuesit po merren me problemin e përhapjes (shpërndarjes) në fizikën gravitacionale. Me fjalë të tjera, ata duan të kuptojnë çfarë ndodh me valët gravitacionale kur përplasen me objekte masive (si vrimat e zeza) dhe përhapen prej tyre.
Ata duhet të ndjekin valët që nga e kaluara e pafundme null (past null infinity), ku valët gravitacionale vijnë në hapësirë-kohë, deri në të ardhmen e pafundme null (future null infinity), ku rrezatimi përfundon nëse udhëton përjetësisht pa u ndalur.
Këto janë kufijtë e dritës së universit, nga ku vijnë dhe ku shkojnë valët gravitacionale.
Phys.org foli me studiuesit pas këtij studimi: Prof. Joerg Frauendiener nga Universiteti i Otago-s, Dr. Chris Stevens dhe Sebenele Thwala nga Universiteti i Canterbury-t.
“Ne treguam, për herë të parë, se është e mundur të ndjekim një valë gravitacionale teksa udhëton nëpër hapësirën-kohë të lakuar të një vrime të zezë nga e kaluara e pafundme në të ardhmen e pafundme,” shpjegoi Dr. Stevens.
“Nevoja për të përfshirë pafundësinë na lejon të llogarisim energjinë dhe momentin total të hapësirës-kohë. Kjo mund të na tregojë se sa nga energjia e valës gravitacionale i jepet vrimës së zezë dhe sa arrin të largohet në mënyrë rigoroze,” shtoi Thwala.
Kapja e pafundësisë
Për të ndjekur trajektoren e një vale gravitacionale, studiuesit duhej të përballeshin me problemin e pafundësisë.
Në teorinë e relativitetit të përgjithshëm të Ajnshtajnit, sistemet e izoluara si vrimat e zeza ekzistojnë në hapësira-kohë asimptotikisht të sheshta — rajone që bëhen të sheshta dhe bosh në distanca të pafundme.
Këta kufij, të quajtur “pafundësitë null”, përfaqësojnë vendin ku lindin (pafundësia e kaluar null) dhe ku përfundojnë (pafundësia e ardhshme null) valët e dritës dhe ato gravitacionale.
Simulimet tradicionale kapin vetëm rajone të fundme të hapësirës-kohë, duke humbur pamjen e plotë të udhëtimit të valëve nga origjina deri në destinacionin final. Me fjalë të tjera, ato nuk tregojnë të gjithë historinë.
“Puna jonë zgjidh valën gravitacionale në pafundësinë e kaluar null, zhvillon ekuacionet plotësisht jolineare të Ajnshtajnit nëpër hapësirën-kohë të vrimës së zezë, dhe natyrshëm nxjerr formën e valës gravitacionale në pafundësinë e ardhshme null,” shpjegoi Prof. Frauendiener.
Kjo qasje gjithëpërfshirëse ofron atë që studiuesit e quajnë marrëdhënia e vërtetë shkak-pasojë mes rrezatimit hyrës dhe atij dalës.
Një kryevepër matematikore
Studiuesit përdorën Ekuacionet e Fushës Konformale të Përgjithshme të Friedrich-it (GCFE), një kornizë matematike që riskaalon hapësirën-kohë për ta sjellë distancën e pafundme në një domen llogaritës të fundëm. Kjo e bën të arritshme pafundësinë.
Për të zgjidhur këto ekuacione evoluimi, studiuesit ndërtuan një paketë të personalizuar softuerike të quajtur COnFormal Field Equation Evolver (COFFEE). Duke përdorur COFFEE, ata simuluan impulse të valëve gravitacionale me intensitete të ndryshme që ndeshen me një vrimë të zezë Schwarzschild.
Simulimet zbuluan se hapësira-kohë është jashtëzakonisht e “ngurtë”.
Për valët hyrëse me amplitudë të ulët, vetëm rreth 8.5% e energjisë shpërndahej përsëri në pafundësi, ndërsa pjesa tjetër përpihej nga vrima e zezë. Edhe për valët me amplitudë të lartë, vetëm 20% e energjisë arrinte të shpëtonte.
Matja e energjisë në pafundësi
Për të kuptuar se sa energji hyn dhe del gjatë përhapjes, studiuesit llogaritën dy madhësi: Energjia Bondi dhe Lajmet Bondi në të dy pafundësitë.
“Lajmet Bondi janë thjesht një madhësi që ‘sjell lajme’ se ekziston rrezatim gravitacional. Nëse është jo-zero, atëherë kemi rrezatim gravitacional; nëse është zero, nuk ka,” shpjegoi Thwala.
Nga ana tjetër, energjia Bondi është energjia totale mbi një kon drite nga çdo pikë në hapësirë-kohë. Ajo është një nga mënyrat e pakta rigoroze për të përkufizuar energjinë në relativitetin e përgjithshëm.
Këto matje i lejuan studiuesit të verifikonin ruajtjen e energjisë me saktësi të jashtëzakonshme në të gjithë simulimet e tyre, duke siguruar një vlefshmëri të rëndësishme të metodave numerike të përdorura.
Ata vëzhguan gjithashtu efekte jolineare interesante. Edhe pse injektuan forma të thjeshta të valëve, dinamika komplekse e hapësirës-kohë të lakuar gjeneroi mënyra shtesë të valëve përmes reagimit të pasëm — në thelb, kur valët krijojnë valë të reja gjatë përhapjes së tyre.
Më intriguese ishte se rrezatimi dalës që arriti në pafundësinë e ardhshme null shfaqi oscilacione karakteristike të njohura si “tingëllimi kuazinormal”, që përfaqëson frekuencën natyrore të dridhjes së vrimës së zezë.
Studiuesit zbuluan se kjo frekuencë mbeti e pandryshuar pavarësisht vetive të valës hyrëse, duke sugjeruar se ajo varet vetëm nga vetë vrima e zezë.
Implikime dhe përmirësimi i modelit
Dr. Stevens theksoi rëndësinë e punës së tyre:
“Të kesh të dhëna në të dyja pafundësitë lejon që për herë të parë të bëhen deklarata rigoroze mbi atë që hyn dhe atë që del.”
“Kjo mund të fillojë të japë përgjigje mbi mënyrën se si vrimat e zeza shpërndajnë valët gravitacionale, sa energji përthithet nga vrima e zezë dhe sa rrezatohet larg.”
Kjo ka rëndësi të veçantë për astronominë moderne, ku eksperimente si LIGO zbulojnë valë gravitacionale që vijnë nga vrima të zeza ose yje neutronikë.
Megjithëse tregojnë shumë premtime, studiuesit identifikojnë një sfidë që mbetet për t’u adresuar.
“Problemi kryesor me metodën aktuale është se vala fillestare nuk vendoset drejtpërdrejt në pafundësinë e kaluar null,” tha Prof. Frauendiener. “Të jesh në gjendje të vendosësh valën hyrëse drejtpërdrejt dhe më
