Wpływ rotacji na dynamikę materii wokół czarnych dziur
Ruch wirowy powoduje deformację nawet największych obiektów. Spójrzmy na naszą własną planetę: wybrzuszenie równikowe wyraźnie wskazuje, że średnica biegunowa jest nieznacznie krótsza od średnicy równikowej. Taka dysproporcja spowodowana jest siłami wywoływanymi przez ruch obrotowy. Pod tym względem czarne dziury niczym się nie różnią od Ziemi. Niektóre z nich wirują, a skutki tego wirowania można obliczyć. Czy jednak na pewno? „W rzeczywistości jest to bardzo trudne” – mówi Jorge Rocha, koordynator projektu REGMAT (Rotational effects on strongly gravitating systems with matter) z Uniwersytetu w Barcelonie. „Rotacja czasoprzestrzeni powoduje utratę symetrii sferycznej, co sprawia, że problem komplikuje się ze względu na zwiększenie się liczby współrzędnych. Dodatkowo czarnym dziurom towarzyszą dyski akrecyjne, które są przyczyną kolejnych odchyleń od znanych rozwiązań w próżni. Od odkrycia w 1915 roku rozwiązania opisującego najprostszą, niewirującą czarną dziurę musiało minąć 50 lat, zanim udało się odnaleźć jej wirujący odpowiednik”. Prowadząc te badania, Rocha chciał pogłębić wiedzę na temat dynamiki czarnych dziur w obecności materii, a w szczególności wzajemnych oddziaływań między materią a rotacją czasoprzestrzeni. W tym celu zdecydował się rozważyć wyższe wymiary. „Dzięki dodatkowym kierunkom w przestrzeni możemy charakteryzować czasoprzestrzeń z użyciem wielu momentów pędu. Wymienione wyżej trudności nie znikają, jednak w ten sposób uzyskujemy bardzo ważną korzyść: jeśli liczba kierunków w przestrzeni jest parzysta, można rozważyć grupę czasoprzestrzeni (o takich samych momentach pędu) charakteryzujących się wysokim stopniem symetrii. Wówczas okaże się, że mimo braku pełnej symetrii sferycznej problem da się rozwiązać”. Podczas badań przyjęto założenie, że materia jest ściskana do postaci nieskończenie cienkich powierzchni. To przydane uproszczenie pozwalające skonstruować czasoprzestrzeń z materii przez zwykłe „sklejanie” znanych już geometrii próżni. Innowacyjność podejścia Rochy polega na wykorzystaniu metod (pół)analitycznych do badania grawitacji w obecności silnego pola i najważniejszych skutków ruchu wirowego. Problemy tego typu zwykle rozwiązuje się przy użyciu wymagających symulacji numerycznych. Po dwóch latach badań Rosze udało się precyzyjnie określić anizotropie (różne ciśnienia pochodzące z różnych kierunków) oddziałujące na materię w wyniku wirowania czasoprzestrzeni. Inny ważny wniosek dotyczy hipotezy kosmicznej cenzury: „Fizycy zajmujący się klasyczną teorią grawitacji od 48 lat zmagają się z problemem kosmicznej cenzury. W uproszczeniu ta hipoteza, sformułowana przez Penrose'a, mówi, że nie można zniszczyć horyzontu zdarzeń czarnej dziury, tak aby pozostała po nim widoczna osobliwość. Moje badania pozwoliły sprawdzić tę hipotezę w układzie całkowicie nieliniowym oraz przy mniejszym poziomie symetrii niż zakładano we wcześniejszych rozważaniach. Umożliwiły również zbadanie szerokiej gamy przypadków charakteryzujących się różnymi wymiarami czasoprzestrzeni i różnymi rodzajami materii. W każdym razie, hipoteza ta okazała się odporna na wszelkie próby jej naruszenia” – wyjaśnia. Wyniki projektu mogą mieć również wpływ na inne dziedziny badań, w tym badania nad równoważeniem plazmy anizotropowej – a wszystko to dzięki słynnej odpowiedniości AdS/CFT. „Chociaż z pozoru nie istnieje tu żaden związek, z odpowiedniości tej wynika, że klasyczna fizyka grawitacji w czasoprzestrzeni o określonych właściwościach geometrycznych – nazywanej przestrzenią anty de Sittera lub w skrócie AdS – jest dokładnym odpowiednikiem pewnych silnie sprzężonych teorii cechowania, które w ogóle nie uwzględniają oddziaływań grawitacyjnych” – twierdzi Rocha. To oznacza, że powstawanie czarnych dziur w przestrzeniach AdS jest równoważne kwantowej teorii pola w ustalonym stanie termicznym oraz że metoda REGMAT badania kolapsu grawitacyjnego z jednoczesną rotacją w AdS może dostarczyć nowych informacji w zakresie równoważenia silnie oddziałującej plazmy anizotropowej. Oczekuje się, że te informacje pomogą zidentyfikować najważniejsze cechy plazmy kwarkowo-gluonowej badanej z użyciem należącego do CERN Wielkiego Zderzacza Hadronów czy Zderzacza Ciężkich Relatywistycznych Jonów. „Moim celem jest zbadanie tego właśnie powiązania” – podsumowuje Rocha.
Słowa kluczowe
REGMAT, czarna dziura, rotacja, materia, czasoprzestrzeń, grawitacja, Penrose, AdS/CFT, plazma anizotropowa, CERN, zderzacz