Кіріспе

Жалпы салыстырмалылық теңдеулерін шешуге арналған ғылыми есептеудің саласы. Сандық салыстырмалылық – проблемаларды шешу және талдау үшін сандық әдістер мен алгоритмдерді пайдаланатын жалпы салыстырмалылықтың бір саласы. Осы мақсатта, суперкомпьютерлер көбінесе қара тесіктерді, гравитациялық толқындарды, нейтрон жұлдыздарын және Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясымен сипатталатын көптеген басқа да құбылыстарды зерттеу үшін қолданылады. Сандық салыстырмалылықтағы қазіргі кездегі белсенді зерттеулердің бірі – салыстырмалы екілік жүйелерді және олардың тудыратын гравитациялық толқындарын модельдеу.

Шолу

Сандық салыстырмалылықтың басты мақсаты – нақты пішіні белгісіз кеңістік-уақытты зерттеу болып табылады. Компьютерлік есептеулер арқылы табылған мұндай кеңістік-уақыт толық динамикалық, стационарлық немесе статикалық болуы мүмкін, сондай-ақ материялық өрістерді немесе вакуумды қамтуы мүмкін. Стационарлық және статикалық шешімдер жағдайында, сандық әдістер тепе-теңдік кеңістік-уақытының тұрақтылығын зерттеу үшін де қолданылуы мүмкін. Динамикалық кеңістік-уақыт жағдайында, мәселені бастапқы шарттар мәселесі мен эволюцияға бөлуге болады, олардың әрқайсысы әртүрлі әдістерді талап етеді. Сандық салыстырмалылық космологиялық модельдер, сынды құбылыстар, бұзылған қара тесіктер мен нейтронды жұлдыздар, сондай-ақ қара тесіктер мен нейтронды жұлдыздардың бірігуі сияқты көптеген салаларда қолданылады. Мұндай жағдайлардың кез келгенінде Эйнштейн теңдеулерін динамиканы дамытуға мүмкіндік беретін әртүрлі тәсілдерде формулировать болады. Коши әдістері ең көп назар аударса, сипаттамалық және Реджестік есептеулерге негізделген әдістер де қолданылған. Бұл әдістердің барлығы гипербеттегі гравитациялық өрістердің бастапқы деректерінен басталады және осы деректерді жақын гипербетке дейін дамытады. Барлық сандық талдау мәселелері сияқты, сандық шешімдердің тұрақтылығы мен жуықталуына ерекше назар беріледі. Осыған байланысты, Эйнштейн теңдеулерінің өлшемдік шарттарына, координаттарға және әртүрлі формулировкаларына, сондай-ақ олардың дұрыс сандық шешімдерді алу мүмкіндігіне үлкен мән беріледі. Сандық салыстырмалылық зерттеулері классикалық өріс теорияларындағы жұмыстардан ерекшеленеді, себебі осы салаларда қолданылатын көптеген техникалар салыстырмалылықта қолданылмайды. Дегенмен, көптеген жақтары басқа есептеу ғылымдарындағы ірі масштабты мәселелермен ортақ, мысалы, есептеу сұйықтық динамикасы, электромагнетизм және қатты дене механикасы. Сандық салыстырмалылық мамандары көбінесе қолданбалы математиктермен бірлесіп жұмыс істейді және сандық талдау, ғылыми есептеулер, дербес дифференциалдық теңдеулер және геометрия сияқты математикалық мамандықтардан түсінік алады.

Теориялық негіздер

Альберт Эйнштейн өзінің жалпы салыстырмалылық теориясын 1915 жылы жариялады. Ол, оның бұрынғы арнайы салыстырмалылық теориясы сияқты, кеңістік пен уақытты біртұтас кеңістік-уақыт ретінде сипаттады, ол қазір Эйнштейннің өріс теңдеулері деп аталады. Бұл біріктірілген сызықты емес бөлшектік дифференциалдық теңдеулер (БДТ) жиынтығын құрайды. Теорияның алғаш рет жарияланғанынан бері 100 жылдан астам уақыт өткен соң, өріс теңдеулері үшін жабық түрдегі шешімдер салыстырмалы түрде аз, және олардың көпшілігі теңдеулердің күрделілігін азайту үшін ерекше симметрияны қабылдайтын космологиялық шешімдер болып табылады. Сандық салыстырмалылық өріс теңдеулерінің жалпы шешімдерін құру және зерттеуге деген ниеттен туындады, Эйнштейн теңдеулерін сандық түрде жуықтап шешу арқылы. Мұндай әрекеттердің қажетті алғышарты – кеңістік-уақытты бөліп, уақыт пен кеңістікке қайта бөлу болды. Бұл алғаш рет 1950 жылдардың соңында Ричард Арновитт, Стэнли Дезер және Чарльз В. Миснер ADM формализмі деп белгіленген жұмыста жарияланды. Техникалық себептерге байланысты, түпнұсқа ADM мақаласында келтірілген нақты теңдеулер сандық модельдеуде сирек қолданылады, бірақ сандық салыстырмалылыққа қатысты көптеген практикалық тәсілдер кеңістік-уақытты үш өлшемді кеңістікке және бір өлшемді уақытқа бөлудің "3+1" схемасын қолданады, бұл ADM формуласымен тығыз байланысты, себебі ADM процедурасы Эйнштейннің өріс теңдеулерін есептеу әдістемелерін қолдану арқылы шешуге болатын шектелген бастапқы мән есебіне қайта құрайды. ADM алғашқы мақаласын жариялаған кезде компьютерлік технологиялар олардың теңдеулерін сандық түрде шешуге қолдау көрсетпес еді. Эйнштейннің өріс теңдеулерін сандық түрде шешуге жасалған алғашқы құжатталған әрекет 1964 жылы Хан мен Линдквисттің жұмысы болып табылады, одан кейін Смарр және Эппли осы саладағы жұмыстарын жалғастырды. Бұл ертедегі әрекеттер Миснер деректерін осьтік симметрияда (сонымен қатар "2+1" өлшемдері деп те аталады) дамытуға бағытталған. Шамамен сол уақытта Цви Пиран гравитациялық сәулеленуі бар жүйені дамыту үшін цилиндрлік симметрияны қолданатын алғашқы кодты жазды. Бұл есептеуде Пиран қазіргі кезде ADM теңдеулерін дамытуда қолданылатын көптеген түсініктердің негізін қалады, мысалы, "еркін даму" және "шектелген даму", ADM формализмінде туындайтын шектеу теңдеулерін шешудің негізгі мәселесімен айналысады. Симметрияны қолдану проблемамен байланысты есептеу және жад талаптарын азайтып, зерттеушілерге сол кездегі суперкомпьютерлерде нәтиже алуға мүмкіндік берді.

Алғашқы нәтижелер

Айналушы құлдыраудың алғашқы нақты есептеулерін 80-жылдардың басында Ричард Старк пен Цви Пиран жүргізді, онда айналып жатқан қара тесік пайда болуынан туындайтын гравитациялық толқын формалары алғаш рет есептелді. Бастапқы нәтижелерден кейін шамамен 20 жыл бойы сандық салыстырмалылық теориясында жарияланған өзге нәтижелердің саны аз болды, бұл, мүмкін, проблеманы шешу үшін жеткілікті қуатты компьютерлердің жетіспеуіне байланысты болды. 1990-жылдардың соңында "Екілік қара тесіктің үлкен сынағы" альянсы екілік қара тесіктің майқаусып соқтығысуын сәтті симуляциялады. Топ осы процестің нәтижесінде кеңістік-уақыттағы оқиғалар көкжиегін есептеп шығарды. Бұл нәтиже әлі де есептеулерде осьтік симметрияны қолдануды және пайдалануды қажет етті. Эйнштейн теңдеулерін үш өлшемде шешуге жасалған алғашқы құжатталған әрекеттердің бірі Эйнштейн өрісі теңдеулерінің статикалық және сфералық симметриялық шешімімен сипатталатын бір Шварцшильд қара тесігіне бағытталды. Бұл сандық салыстырмалылық теориясында өте жақсы сынақ жағдайы болып табылады, себебі ол сандық нәтижелерді дәл шешіммен салыстыруға мүмкіндік беретін жабық формадағы шешімге ие, статикалық және салыстырмалылық теориясының сандық тұрғыдан ең қиын мінездемелерінің бірі – физикалық сингулярлықты қамтиды. Бұл шешімді симуляциялауға тырысқан алғашқы топтардың бірі Anninos және авторлар тобы болды. 1995 жылы олар өз мақаласында "Үш өлшемді сандық салыстырмалылық теориясындағы прогресс 3D кеңістік-уақытты жақсы есептеуге қажетті жад пен есептеу қуатына ие компьютерлердің жетіспеуіне байланысты тоқтап қалды" деп көрсетті.

Өрістің пісіп жетуі

Кейінгі жылдары компьютерлердің қуаты артқанмен қатар, әртүрлі зерттеу топтары есептеу тиімділігін жақсарту үшін баламалы әдістерді әзірледі. Қара тесіктерді модельдеуге қатысты, теңдеулер шешімдеріндегі физикалық сингулярлықтардың болуымен байланысты проблемаларды болдырмау үшін екі әдіс құрастырылды: (1) Экцизия және (2) "пунктура" әдісі. Бұған қоса, Лазарус тобы сызықтық емес АДМ теңдеулерін шешетін қысқа мерзімді модельдеудің бастапқы нәтижелерін пайдаланып, пертурбация теориясынан туындаған сызықтық теңдеулерге негізделген тұрақты код үшін бастапқы деректерді алуға арналған әдістерді жасады. Жалпы алғанда, есептеу сұйықтық динамикасында қолданылатын адаптивті торды жетілдіру әдістері сандық салыстырмалылық теориясы саласына енгізілді.

Қалтадан шығару

1990 жылдардың соңында алғаш ұсынылған экзизиция техникасында, қара тесіктің сингулярлығын қоршаған оқиғалар горизонтының ішіндегі кеңістік бөлігінің эволюциясы тоқтатылады. Теория бойынша, бұл оқиғалар горизонтының сыртындағы теңдеулердің шешіміне әсер етуі керек емес, себебі себеп-салдар қағидасы және оқиғалар горизонтының қасиеттеріне сәйкес (яғни, қара тесіктің ішіндегі физикалық құбылыстар горизонттың сыртындағы физикаға әсер ете алмайды). Сондықтан, егер горизонттың ішіндегі теңдеулерді шешпесе, сыртындағы дұрыс шешімдерді алуға болады. Ішкі бөлігін "кесіп тастау" үшін, сингулярлықты қоршаған, бірақ горизонттың ішінде орналасқан шекараға кіретін шекаралық шарттар қолданылады. Экзизиция техникасының іске асырылуы өте сәтті болғанымен, екі шағын мәселе бар. Біріншісі, координаталық шарттарға қатысты сақтық таныту қажет. Физикалық әсерлер іштен сыртқа таралмаса, координаталық әсерлер таралуы мүмкін. Мысалы, координаталық шарттар эллипстік болса, ішкі координаталық өзгерістер бірден горизонт арқылы таралуы мүмкін. Осыдан келіп, координаталық әсерлердің таралуы үшін, жарық жылдамдығынан кем сипаттамалық жылдамдыққа ие гиперболалық типтегі координаталық шарттар қажет (мысалы, гармоникалық координаттарды қолдану). Екінші мәселе – қара тесіктер қозғалғанда, экзизиция аймағының орналасуын қара тесікпен бірге жылжыту үшін үнемі түзетулер қажет. Экзизиция техникасы бірнеше жыл дамыды, оның ішінде тұрақтылықты арттыратын және экзизиция аймақтарының есептеу торы арқылы қозғалу мүмкіндігін көрсеткен жаңа калибрлік шарттар әзірленді. Бұл техниканы қолдана отырып, екі қара тесіктің орбитасының тұрақты, ұзақ мерзімді эволюциясы мен бірігуі 2005 жылы жарияланды.

Пункциялар

Пункция әдісінде шешім қара тесіктің сингулярлығын қамтитын аналитикалық бөлікке және сандық түрде құрастырылған, сингулярлықтан бос бөлікке бөлінеді. Бұл Брилл-Линдквист рецептісінің қозғалмайтын қара тесіктердің бастапқы деректері үшін жалпылауы және Боуэн-Йорк рецептісіне айналу және қозғалатын қара тесіктердің бастапқы деректері үшін де жалпылауға болады. 2005 жылға дейін жарияланған барлық пунктция әдісінің қолданылуы симуляция барысында барлық пункттердің координаталық орны өзгермейтіндей талап етілді. Әрине, бір-біріне жақын қара тесіктер гравитация күшінің әсерінен қозғалуға бейім, сондықтан пункттің координаталық орнының өзгермейтін болуы координаталық жүйелердің өзінің "созылуына" немесе "бұрылуына" әкелді, және бұл көбінесе симуляцияның кейбір кезеңінде сандық тұрақсыздыққа соқты.

2005 жылы шыққан "Аннус мирабилис" (сандық салыстырмалылық теориясының ғажайып жылы)

2005 жылы зерттеушілер тобы алғаш рет координаттар жүйесінде нүктелердің (пункциялардың) қозғалуына мүмкіндік жасады, осылайша әдістің бұрынғы кейбір мәселелерін шешті. Бұл қара тесіктердің ұзақ мерзімді эволюциясын дәл моделеуге мүмкіндік берді. Қолайлы координаттық шарттарды таңдап, сингулярлыққа жақын өрістер туралы жуық шамамен (приблимациямен) талдау жасау арқылы (физикалық эффектілер қара тесіктен сыртқа тарала алмайтындықтан, жуық шамалардың дәлдігі маңызды емес), бір-бірінің айналасында айналатын екі қара тесік мәселесіне сандық шешімдер алуға, сондай-ақ олардың шығаратын гравитациялық толқындарын (кеңістік-уақыттың қозғалыстарын) дәл есептеуге қол жеткізілді. 2005 жыл сандық жалпы салыстырмалылықтың "annus mirabilis" деп аталды, бұл арнайы салыстырмалылықтың "annus mirabilis" (1905) 100 жылдығынан кейін болды.

Лазарь жобасы

Лазарус жобасы (1998–2005) бинарлық қара тесіктердің қысқа мерзімді толық сандық симуляцияларынан астрофизикалық нәтижелер алу үшін Grand Challenge жобасынан кейін әзірленді. Ол, жалпы салыстырмалылық теориясының өріс теңдеулерін шешуге тырысатын толық сандық симуляциямен қатар, бұрынғы (Ньютондық емес траекториялар) және кейінгі (жеке қара тесіктердің бұзылулары) жуықтау әдістерін біріктірді. Бұрынғы суперкомпьютерлерде бинарлық қара тесіктердің айналасындағы гравитациялық өрісті сипаттайтын Хилберт-Эйнштейн теңдеулерін сандық түрде интеграциялауға жасалған барлық әрекеттер бір орбита аяқталуына дейін бағдарламалық құралдың істен шығуына әкелді. Лазарус тәсілі осы арада бинарлық қара тесіктер мәселесіне ең жақсы түсінік берді және көптеген, салыстырмалы түрде дәл нәтижелерді қамтамасыз етті, мысалы, соңғы бірігу кезінде сәулеленген энергия мен бұрыштық импульс, массалары әртүрлі тесіктердің сәулеленген импульсі, сондай-ақ қалған қара тесіктің соңғы массасы мен айналуы. Бұл әдіс сонымен қатар бірігу процесінде туындайтын егжей-тегжейлі гравитациялық толқындарды есептеді және қара тесіктердің соқтығысуының Ғаламдағы ең энергетикалық оқиға екенін болжады, оның нәтижесінде гравитациялық сәулелену түрінде секундықтың бір бөлігінде бір галактиканың өміріне қарағанда көбірек энергия бөлінеді.

Адаптациялық торларды тазарту

Адаптивтік торды тазарту (АМР) сандық әдіс ретінде, сандық салыстырмалылық саласындағы алғашқы қолданысынан әлдеқайда терең тамырларға ие. Торды тазарту алғаш рет сандық салыстырмалылық әдебиетінде 1980-ші жылдары, Шоптуиктің скалярлық өрістердің сынды құлдырауына арналған зерттеулерінде пайда болды. Бастапқы жұмыс бір өлшемді болған, бірақ кейіннен екі өлшемге дейін кеңейтілді. Екі өлшемде АМР біртекті емес космологияны және Шварцшильд қара тесіктерін зерттеу үшін де қолданылды. Қазіргі кезде бұл әдіс сандық салыстырмалылықтың стандартты құралына айналды және қара тесіктердің және басқа да тығыз нысандардың қосылуын, сондай-ақ мұндай астрономиялық құбылыстар тудыратын гравитациялық сәулеленудің таралуын зерттеу үшін пайдаланылуда.

Соңғы өзгерістер

Соңғы бірнеше жылда жүздеген ғылыми еңбектер жарық көрді, олар математикалық салыстырмалылық, гравитациялық толқындар және айналасындағы қара тесіктер мәселесі бойынша астрофизикалық нәтижелердің кең спектрін қамтиды. Бұл техника нейтронды жұлдыздар мен қара тесіктерді, сондай-ақ бірнеше қара тесіктерді қамтитын астрофизикалық жұп жүйелерге дейін қолданылды. Ең таң қалдыратын болжамдардың бірі – екі қара тесіктің қосылуы нәтижесінде пайда болған тесіктің жылдамдығы 4000 км/с-қа дейін жетеді, бұл оған белгілі кез келген галактикадан қашуға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, модельдеулер бұл қосылу процесінде оның толық тыныштық массасының 8%-ға дейін жететін үлкен мөлшерде гравитациялық энергияның босатылатынын көрсетеді.