Gravitationsvågor är energibärande vågor som alstras av acceleration eller störningar från massiva objekt. Dessa vågor, som först observerades direkt 2015, är kända för att alstras under olika kosmologiska fenomen, inklusive sammanslagningar mellan två svarta hål som kretsar kring varandra (dvs. binära svarta hål).
Studier av gravitationsvågor kan ge värdefull insikt om gravitationen, den grundläggande kraften som beskrivs i Einsteins allmänna relativitetsteori. Allmän relativitetsteori beskriver gravitationen som en krökning av rumtiden som orsakas av massa och energi.
Tidigare forskning har visat att när gravitationseffekterna är särskilt uttalade (dvs. i starka fält som de som uppstår vid sammansmältningar av binära svarta hål) blir gravitationen icke-linjär. Att belysa dessa icke-linjära dynamiker kan bidra till att testa och förbättra befintliga teorier om gravitation.
Forskare vid California Institute of Technology har genomfört nya simuleringar som beskriver gravitationen med hjälp av Maxwells ekvationer, ekvationer som vanligtvis används för att studera elektromagnetism, istället för konventionella allmänna relativitetsekvationer.
Deras artikel, publicerad i Physical Review Letters, introducerar en ny lovande metod för att studera gravitationsdynamiken hos binära svarta hålfusioner och andra rymdtidskollisioner.
”Vår forskning inspirerades av två saker”, berättade Elias R. Most, seniorförfattare till artikeln.
”I samband med att förutsäga radiotransienter till sammanslagningar av kompakta objekt, såsom neutronstjärnor och svarta hål, har vi gjort omfattande arbete med regelbundna elektriska och magnetiska fält runt svarta hål, simulerat deras dynamik och fått en mycket god förståelse för hur de beter sig.
Samtidigt har gravitationen alltid varit något mystisk, åtminstone i sin vanliga form, och saknar förmågan att enkelt visualiseras, vilket är vanligt särskilt för magnetfält.”
Gravitationsvågsemission i ett binärt svart hål-system, visualiserat med hjälp av elektriska och magnetiska fält. Källa: Boyeneni, Wu & Most.
Det senaste arbetet av Most och hans kollegor bygger på idén att gravitation också kan uttryckas på sätt som liknar hur fysikteorin beskriver elektriska och magnetiska fält.
Forskarna bestämde sig därför för att använda ekvationer som beskriver elektromagnetism, så kallade Maxwell-ekvationer, för att förstå gravitationsdynamiken i starka fält. Deras förhoppning var att nå samma nivå av förståelse som de uppnått i tidigare studier med fokus på radioemission.
”De simuleringar vi körde baseras på en vanlig metod för att visualisera Einsteins ekvationer för allmän relativitetsteori på en dator”, förklarade Most.
”Dessa simuleringar är i sig utmanande och har utvecklats av forskarsamhället under de senaste 50 åren. Den viktigaste nyheten vi bidrog med var förmågan att helt omtolka dessa simuleringar på ett sätt som liknar elektrodynamik. Det vill säga, vi använder de uttryck vi hade härlett och omtolkat simuleringarna.”
Med hjälp av den metod de föreslog kunde forskarna beräkna det elektriska och magnetiska fältet som är förknippat med gravitationen utifrån befintliga simuleringsdata. Intressant nog visade deras simuleringar att den allmänna relativitetsteorin faktiskt kan studeras med hjälp av ekvationer som beskriver elektromagnetism.
”Vårt arbete har redan lärt oss hur man omtolkar partikelbanor och krökt rum”, säger Most. ”Det har också varit till stor hjälp för att klargöra uppkomsten av icke-linjäritet (där stark gravitation dominerar).”
I framtiden kan den senaste studien av Most och hans kollegor öppna nya möjligheter för forskning som syftar till att testa specifika aspekter av den allmänna relativitetsteorin eller icke-linjär gravitationsdynamik. I sina nästa studier planerar forskarna att bygga vidare på sina simuleringar för att utforska de turbulensliknande aspekterna av gravitationsvågor.
”I grund och botten skiljer sig gravitationsvågor från vanliga ljusstrålar”, förklarar Most.
”När de passerar varandra kan de (under vissa förhållanden) interagera. Denna interaktion kan likna turbulens i atmosfären, men den är svår att beskriva matematiskt. Å andra sidan är det ett välkänt och studerat fenomen för vissa elektrodynamiska system.
”Med hjälp av vår metod ovan kunde vi visa att samma matematiska formler som ligger till grund för turbulens med vanliga magnetfält även gäller för gravitationsvågor, vilket är en mycket viktig insikt. Under de kommande månaderna planerar vi att undersöka gravitationsvågornas icke-linjäritet ytterligare.”
Mer information: Siddharth Boyeneni et al, Unveiling the Electrodynamic Nature of Spacetime Collisions, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/995s-wxl7. På arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2504.15978
