Snažit se porozumět deformaci prostoru a času je něco jako vizualizace scény z Alenky v říši divů, kde pokoje mohou měnit velikosti a umístění. Nejpoužívanějším popisem deformace časoprostoru je, jak těžký předmět deformuje napnutou elastickou fólii. Ale ve skutečnosti fyzici říkají, že toto pokřivení je tak komplikované, že opravdu nebyli schopni porozumět detailům toho, co se děje. Ale nové koncepční nástroje, které kombinují teorii a počítačové simulace, poskytují vědcům lepší způsob, jak vizualizovat, co se děje, když gravitace z objektu nebo události změní strukturu vesmíru.
Výzkumníci z Caltech, Cornell University a National Institute for Theoretical Physics v Jižní Africe vyvinuli koncepční nástroje, které nazývají tendexové čáry a vírové čáry, které představují gravitační vlny. Vědci tvrdí, že tendexové a vírové čáry popisují gravitační síly způsobené pokřiveným časoprostorem a jsou analogické s čarami elektrického a magnetického pole, které popisují elektrické a magnetické síly.
„Čáry Tendex popisují natahovací sílu, která pokřivený časoprostor působí na vše, s čím se setká,“ říká David Nichols, postgraduální student Caltechu, který přišel s termínem „tendex“. 'Čáry Tendex trčící z Měsíce zvyšují příliv a odliv na zemských oceánech a natahovací síla těchto čar by roztrhala astronauta, který spadne do černé díry.'
Vortexové čáry naproti tomu popisují kroucení prostoru. Pokud je tedy tělo astronauta zarovnáno s vírovou linií, bylo by vyždímané jako mokrý ručník.
Dva spirálovité víry (žluté) vířivého prostoru trčící z černé díry a vírové čáry (červené křivky), které tvoří víry. Kredit: The Caltech/Cornell SXS Collaboration
Vyzkoušeli nástroje speciálně na počítačově simulovaných srážkách černých děr a viděli, že takové dopady vytvoří vírové čáry ve tvaru koblihy, které odletí ze sloučené černé díry jako kouřové prstence. Vědci také zjistili, že svazek vírových čar se spirálovitě vynořuje z černé díry jako voda z rotujícího sprinkleru. V závislosti na úhlech a rychlostech srážek by se vírové a tendexové čáry – neboli gravitační vlny – chovaly odlišně.
„Přestože jsme tyto nástroje vyvinuli pro srážky černých děr, lze je použít všude tam, kde je časoprostor pokřivený,“ říká Dr. Geoffrey Lovelace, člen týmu z Cornellu. „Například očekávám, že lidé použijí vírové a tendexové čáry na kosmologii, na černé díry, které trhají hvězdy, a na singularity, které žijí uvnitř černých děr. Stanou se standardními nástroji v rámci obecné teorie relativity.“
Vědci tvrdí, že čáry šlach a vírů poskytují mocný nový způsob, jak pochopit povahu vesmíru. „Pomocí těchto nástrojů nyní můžeme mnohem lépe porozumět obrovskému množství dat, která jsou produkována v našich počítačových simulacích,“ říká Dr. Mark Scheel, vedoucí výzkumný pracovník společnosti Caltech a vedoucí simulační práce týmu.
Jejich práce byla publikována v 11. dubna ve Physical Review Letters.