Устройство Вселенной обычно описывают с помощью уравнений общей теории относительности Эйнштейна. Но чтобы понять, как гравитация ведет себя в экстремальных условиях — например, при рождении черных дыр или в момент гипотетической инфляции — классического подхода недостаточно. Сделать это можно, как показали авторы нового исследования, обратившись к методу численной относительности.
Могла ли Вселенная переживать циклы сжатий и расширений? Почему стала такой однородной и изотропной? Что было до Большого взрыва? Подобные вопросы десятилетиями считались слишком «метафизическими» для науки, поскольку там, где плотности и температуры устремляются в бесконечность — то есть в экстремальных условиях — стандартные уравнения ОТО, описывающие гравитацию, «ломаются».
Возможный выход из положения нашла группа космологов и астрофизиков, показав, что численная относительность — метод компьютерного моделирования, позволяющий приблизительно решать уравнения ОТО, может оказаться ключом к самым неразрешимым загадкам космологии. Результаты научной работы, проведенной 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.
Если раньше численную относительность использовали в основном для расчетов гравитационных волн от слияний черных дыр и нейтронных звезд, то теперь ее можно применить для изучения космологической сингулярности (состояния Вселенной до Большого взрыва), ранней инфляции (сверхбыстрого расширения молодой Вселенной) и циклической модели, предложенной нобелевским лауреатом Роджером Пенроузом, согласно которой Вселенная многократно рождается и умирает.
Подход, по мнению ученых, позволит отказаться от упрощающего предположения об однородности и симметричности пространства. Обобщив все имеющиеся данные о применении численной относительности в космологии, Клаф, Лим и Ауррекоэчеа показали, какие перспективы она открывает.
Речь идет о методе, разработанном в 1960-х годах для изучения черных дыр, который в 2005 году позволил впервые численно смоделировать их слияние. В в 2015 году детекторы LIGO и VIRGO зарегистрировали реальный сигнал гравитационных волн — он оказался именно таким, как предсказывали расчеты. Теперь его «перевод» в область космологии может помочь в проверке самых смелых гипотез.
К ним относятся существование космических струн — гипотетических дефектов в ткани пространства-времени, способных порождать гравитационные волны, образование первичных черных дыр и возможные столкновения вселенных. Численная относительность также может пригодиться в решении проблемы так называемой обратной реакции — вопросу о влиянии локальных неоднородностей на эволюцию космоса в целом.
Особенно важна инфляция молодой Вселенной, существование которой предполагает ряд ученых. Поясним: чтобы описать этот процесс с помощью уравнений ОТО, физики вынуждены изначально закладывать в модель однородность и изотропность пространства, в то время как численная относительность позволяет отказаться от этих ограничений.
Таким образом, предложенный метод — не экзотическая «игрушка» для специалистов по черным дырам, а инструмент, потенциально способный изменить наши представления о прошлом и будущем Вселенной. Проблема в том, что такие вычисления требуют колоссальных ресурсов, а значит численная относительность может стать полноценной лишь с появлением еще более мощных суперкомпьютеров.
«Мы надеемся объединить усилия космологов и специалистов по численной относительности. Так первые смогут заниматься вопросами, которые раньше казались недостижимыми, а вторые — применять свои методы к самым захватывающим загадкам Вселенной», — отметили авторы научной работы.