Работу возглавили профессор Ян Плефка из Берлинского университета имени Гумбольдта и доктор Густав Могулл из Лондонского университета Королевы Марии, ранее работавший в Институте гравитационной физики Макса Планка. Вместе с международной командой физиков они добились беспрецедентной точности в расчетах, критически важных для понимания гравитационных волн.

Команда использовала передовые методы, вдохновленные квантовой теорией поля, чтобы вычислить так называемый пятый пост-минковский порядок (5PM) — ключевой параметр для определения углов рассеяния, излучаемой энергии и отдачи. Но самое неожиданное — в формулах появились периоды многообразий Калаби-Яу, сложные геометрические структуры из теории струн и алгебраической геометрии. Раньше их считали чисто математической абстракцией, но теперь они описывают реальные астрофизические процессы.

Современные детекторы гравитационных волн, такие как LIGO, становятся все чувствительнее, а новые, вроде LISA, уже на подходе. Чтобы расшифровывать их данные, нужны предельно точные теоретические модели.

Физика процесса проста: две черные дыры взаимодействуют и разлетаются под действием гравитации, — объясняет Могулл.

Но математическая точность, которая требуется для расчетов, колоссальна.

Аспирант Берлинского университета Бенджамин Зауэр добавляет:

Появление геометрии Калаби-Яу углубляет наше понимание связи математики и физики. Это поможет улучшить шаблоны, по которым мы анализируем данные гравитационных волн.

Особенно важна точность для систем с эллиптическими орбитами, где черные дыры движутся на огромных скоростях. Традиционные модели, рассчитанные на медленные объекты, здесь не работают.

Гравитационные волны — рябь пространства-времени от столкновений массивных объектов — открыли новую эру в астрофизике.

Чем точнее мы их моделируем, тем лучше понимаем, например, как черные дыры получают «пинок» при рассеянии — это влияет на формирование галактик.

Но самое интригующее — связь между макромиром астрофизики и сложной математикой квантовой механики.

Теперь мы знаем, что абстрактные функции имеют физический смысл, — говорит доктор Уре Якобсен из Института Макса Планка.

Это меняет подход: можно искать конкретные примеры, которые объясняют реальные процессы в природе.

Для расчетов команда использовала суперкомпьютер в Берлинском центре вычислительной техники — более 300 000 процессорных часов. «Без этих мощностей проект бы не состоялся», — отмечает аспирант Матиас Дриссе, отвечавший за вычисления.

Этот прорыв показывает, как междисциплинарная работа преодолевает казалось бы непреодолимые препятствия, — говорит профессор Плефка.

От теории до практики — именно так мы расширяем границы познания.

Исследование не только продвигает физику гравитационных волн, но и соединяет абстрактную математику с реальным миром. Команда уже работает над более сложными расчетами, а их методы могут пригодиться даже в физике коллайдеров.

Польза исследования

• Точность детекторов: Новые модели помогут LIGO и будущему LISA точнее улавливать сигналы, особенно от быстрых столкновений.
• Галактическая эволюция: Понимание «отдачи» черных дыр объяснит, как они влияют на формирование галактик.
• Мост между математикой и физикой: Геометрия Калаби-Яу из теории струн теперь имеет практическое применение — это редкий случай, когда абстракция становится инструментом.
• Вычислительные прорывы: Методы, разработанные здесь, можно адаптировать для других задач, например, в квантовой хромодинамике.

И хотя работа впечатляет, остается вопрос: насколько периоды Калаби-Яу действительно необходимы, или это просто красивое математическое совпадение? Пока их роль подтверждена только в частных случаях. Нужны дополнительные исследования, чтобы понять, насколько универсален этот подход.

Ранее ученые выяснили, что гравитация обладает квантовой природой.