Обычно Вселенная описывается с помощью уравнений общей теории относительности, разработанной Эйнштейном. Однако для понимания поведения гравитации в экстремальных условиях, таких как формирование черных дыр или гипотетическая инфляция, классических подходов оказывается недостаточно. Авторы недавнего исследования продемонстрировали, что для решения этой задачи можно использовать метод численной относительности.
Возможно ли, что Вселенная проходила через периоды сжатия и последующего расширения? Каким образом она приобрела свою однородность и изотропность? Что существовало до Большого взрыва? На протяжении многих лет такие вопросы рассматривались как излишне «философские» для научного исследования, поскольку при экстремальных условиях, когда плотность и температура достигают бесконечности, привычные уравнения общей теории относительности, описывающие гравитацию, теряют свою применимость».
Группа космологов и астрофизиков предложила потенциальное решение, продемонстрировав, что численная относительность — метод компьютерного моделирования, дающий возможность приблизительно решать уравнения общей теории относительности, может стать прорывом в решении самых сложных загадок космологии. Ключевые результаты исследования, выполненного Джосу Ауррекоэчеа (Josu C. Aurrekoetxea) из Оксфордского университета (Великобритания), Кэти Клаф (Katy Clough) из Лондонского университета королевы Марии и Юджин Лим (Eugene A. Lim) из Королевского колледжа Лондона, опубликованы в журнале Living Reviews in Relativity.
Ранее численная относительность находили применение преимущественно для вычисления гравитационных волн, возникающих при слиянии черных дыр и нейтронных звезд. В настоящее время ее можно использовать для исследования космологической сингулярности (состояния Вселенной до Большого взрыва), ранней инфляции (периода сверхбыстрого расширения молодой Вселенной) и циклической модели, основанной на идее, выдвинутой нобелевским лауреатом Роджером Пенроузом, предполагающей циклический процесс рождения и смерти Вселенной.
По оценкам исследователей, данный метод позволит отказаться от упрощающего представления о единообразии и симметричности пространства. Проанализировав совокупность имеющихся данных о применении численной относительности в космологии, Клаф, Лим и Ауррекоэчеа продемонстрировали, какие возможности она предоставляет.
Метод, впервые примененный для исследования черных дыр в 1960-х годах, в 2005 году позволил провести первое численное моделирование их слияния. В 2015 году детекторы LIGO и VIRGO зафиксировали реальный гравитационный сигнал, который полностью соответствовал прогнозам, полученным с помощью этого метода. Теперь его применение в космологии может способствовать проверке наиболее смелых предположений.
К ним относятся гипотетические космические струны — дефекты, предположительно существующие в структуре пространства-времени и способные генерировать гравитационные волны, формирование первичных черных дыр и потенциальные взаимодействия вселенных. Кроме того, методы численной относительности могут оказаться полезными при исследовании проблемы обратной реакции, то есть при рассмотрении влияния локальных неоднородностей на общую эволюцию Вселенной.
Инфляция в ранней Вселенной имеет особое значение, поскольку её существование предполагают некоторые ученые. Для описания этого процесса с помощью уравнений общей теории относительности физикам приходится изначально вводить в модель однородность и изотропность пространства, однако численная относительность даёт возможность отказаться от подобных ограничений.
Этот метод – не просто теоретическое упражнение для исследователей черных дыр, а инструмент, который может существенно расширить наши знания о прошлом и будущем Вселенной. Однако для проведения таких расчетов необходимы огромные вычислительные мощности, поэтому полноценная реализация численной относительности возможна только с развитием более производительных суперкомпьютеров.
«Мы стремимся к объединению усилий космологов и экспертов в области численной относительности. Это позволит первым исследователям решать задачи, которые ранее представлялись неразрешимыми, а вторым — использовать свои подходы для изучения самых интересных тайн Вселенной», — отметили авторы научной работы.