королевы Марии, Лондонский университет
Исследование, опубликованное в журнале Nature, установило новый стандарт в моделировании самых экстремальных событий во Вселенной: столкновений черных дыр и нейтронных звезд. Это исследование, возглавляемое профессором Яном Плефкой из Университета Гумбольдта в Берлине и доктором Густавом Могуллом из Лондонского университета королевы Марии, ранее работавшим в Университете Гумбольдта и Институте гравитационной физики Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна), и проведенное в сотрудничестве с международной группой физиков, обеспечивает беспрецедентную точность расчетов, имеющих решающее значение для понимания гравитационных волн.
Используя передовые методы, вдохновленные квантовой теорией поля , команда вычислила пятый постминковский (5PM) порядок для наблюдаемых величин, таких как углы рассеяния, излучаемая энергия и отдача. Новаторским аспектом работы является появление трехкратных периодов Калаби-Яу — геометрических структур, укорененных в теории струн и алгебраической геометрии — внутри излучаемой энергии и отдачи. Эти структуры, когда-то считавшиеся чисто математическими, теперь находят применение в описании реальных астрофизических явлений. Поскольку обсерватории гравитационных волн, такие как LIGO, выходят на новый уровень чувствительности, а на горизонте появляются детекторы следующего поколения, такие как LISA, это исследование удовлетворяет растущий спрос на теоретические модели необычайной точности.
Доктор Могулл объясняет: «Хотя физический процесс взаимодействия и рассеивания двух черных дыр посредством гравитации, который мы изучаем, концептуально прост, требуемый уровень математической и вычислительной точности огромен».
Бенджамин Зауэр, кандидат наук в Берлинском университете имени Гумбольдта, добавляет: «Появление геометрий Калаби-Яу углубляет наше понимание взаимодействия математики и физики. Эти идеи сформируют будущее гравитационно-волновой астрономии, улучшив шаблоны, которые мы используем для интерпретации данных наблюдений». Такая точность особенно важна для захвата сигналов от эллиптических связанных систем, где орбиты больше напоминают события высокоскоростного рассеяния, область, где традиционные предположения о медленно движущихся черных дырах больше не применимы.
Гравитационные волны — рябь в пространстве-времени, вызванная ускорением массивных объектов — произвели революцию в астрофизике с момента их первого обнаружения в 2015 году. Возможность точно моделировать эти волны расширяет наше понимание космических явлений, включая «толчок» или отдачу черных дыр после рассеяния — процесс, имеющий далеко идущие последствия для формирования и эволюции галактик. Возможно, наиболее интригующим является то, что открытие структур Калаби-Яу в этом контексте связывает макроскопическую сферу астрофизики со сложной математикой квантовой механики.
«Это может кардинально изменить подход физиков к этим функциям», — говорит член команды доктор Уре Якобсен из Института гравитационной физики Макса Планка и Берлинского университета имени Гумбольдта. «Демонстрируя их физическую значимость, мы можем сосредоточиться на конкретных примерах, которые проливают свет на подлинные процессы в природе». В проекте было использовано более 300 000 часов высокопроизводительных вычислений в Институте Цузе в Берлине для решения уравнений, описывающих взаимодействие черных дыр, что демонстрирует незаменимую роль вычислительной физики в современной науке.
«Быстрая доступность этих вычислительных ресурсов стала ключом к успеху проекта», — добавляет кандидат наук Матиас Дриссе, руководивший вычислительными работами.
Профессор Плефка говорит: «Этот прорыв демонстрирует, как междисциплинарные усилия могут преодолеть трудности, которые когда-то считались непреодолимыми. От математической теории до практических вычислений это исследование является примером синергии, необходимой для расширения границ человеческих знаний». Этот прорыв не только продвигает вперед область физики гравитационных волн, но и устраняет разрыв между абстрактной математикой и наблюдаемой вселенной, прокладывая путь для будущих открытий. Сотрудничество нацелено на дальнейшее расширение своих усилий, изучение вычислений более высокого порядка и использование новых результатов в будущих моделях гравитационных волн. Помимо теоретической физики, вычислительные инструменты, используемые в этом исследовании, такие как KIRA, также имеют применение в таких областях, как физика коллайдеров.
Дополнительная информация: Возникновение многообразий Калаби–Яу в высокоточном рассеянии черных дыр, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08984-2
Информация журнала: Природа
Предоставлено Королевой Марией, Лондонским университетом