Атлантические «черные дыры»

Физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и университета Майами описали математическое сходство водяных вихрей и черных дыр.

Исследователи также смогли найти в Атлантическом океане вихри, которые удовлетворяют предложенной ими модели; открытие таких океанических черных дыр позволяет объяснить круговорот плавающего на поверхности моря мусора. Подробности приводятся в препринте статьи, публикация которой ожидается на страницах Journal of Fluid Mechanics.

Аналогия между потоками жидкости и астрофизическими объектами основана на использовании двумя разделами физики — общей теории относительности и механикой сплошных сред — схожего математического аппарата. Специалисты по гравитации оперируют искривлением пространства-времени и так называемым тензором кривизны, а изучающие гидродинамические явления физики активно используют для описания перемещения какой-либо деформируемой среды тензор деформации. Оба тензора, если отвлечься от строго математического определения, представляют собой наборы чисел, характеризующие геометрические параметры объекта: в случае с гидравликой ими выражают сжатие/растяжение/перекос выделенного из среды кубика, а в случае с гравитацией физики описывают тензором искривление самого пространства-времени.

Ученые обратили внимание на то, что с математической точки зрения уравнения, описывающие вихри на поверхности океана, ничем не отличаются от уравнений, описывающих искривление пространства-времени около черных дыр (с поправкой на то, что поверхность моря плоская). Это наблюдение, как считают сами авторы, выходит за рамки просто занятной аналогии, так как носит не умозрительный, а практический характер.

Исследователи обратились к данным о реальной картине приповерхностных потоков в Атлантическом океане и им удалось найти несколько образований, подпадающих под предложенное физиками описание. По мнению ученых, подобные вихри отчасти напоминают описанные в рассказе Эдгара По «Низвержение в Мальстрем». Авторы научной статьи даже указывают на подмеченное писателем важнейшее свойство водяного вихря: «Водоворот этот был опоясан широкой полосой сверкающей пены; но ни один клочок этой пены не залетал в пасть чудовищной воронки» (цитата в переводе М.Богословской). Из уравнений, проанализированных специалистами, следует существование вокруг вихря мертвой зоны, в которой подхваченные ей предметы могут оставаться неограниченно долго.

Способность захватывать плавающие объекты может играть важнейшую роль в переносе плавающего в море мусора и ее необходимо учитывать при моделировании процесса загрязнения Мирового океана. Кроме того, работа ученых может найти применение в астрофизике, причем вовсе не для описания черных дыр. Исследователи обращают внимание на то, что Большое красное пятно на Юпитере является долговременным вихрем в верхних слоях атмосферы планеты и что, вполне возможно, его можно корректно описать как самую известную «черную дыру» Солнечной системы.