平均度ρ? = 3(4πR3) ≈ 7.16×10^12 kg/,這已經是中子星度量級了——
別問我為什麼這麼,這是為了武效果最佳化的特殊構造。”
繼續輸出公式:“對於簡併質,力p ≈ (?2/(5e)) (3π2)^{2/3} ρ^{5/3},其中e是電子質量。
代ρ?得p? ≈ 10^28 Pa。那麼?2p/?t2在峰值時刻約為p?/τ2 ≈ 10^52 Pa/s2。”
“現在計算引力波應變的峰值。”塔維爾調出第八個螢幕,“在距離r,h_peak ≈ (G/c?) · (1/r) · |?2Q/?t2|,其中Q是質量四極矩。對於球,Q ~ R2。
但更確地,對於力驅的引力波,有效源項是應力的積積分:|?2Q/?t2| ~ V · |?2p/?t2| · R2,其中V是積。”
快速計算:“V = 4πR3/3 ≈ 4.19×10^15 。
於是|?2Q/?t2| ~ 4.19×10^15 × 10^52 × (10^5)^2 ≈ 4.19×10^77 kg·/s2。”
“在r = 1000 k,”塔維爾調出第九個螢幕,上面出現最終計算結果,“h_peak ≈ (6.67×10^-11)/(9×10^16) × (1/10^6) × 4.19×10^77 ≈ 3.1×10^44 × 4.19×10^77 ≈ 1.3×10^122。”
停頓了一下,看著已經徹底呆滯的德:“這個數值顯然沒有理意義,因為它超過了普朗克應變h_Planck ~ 1。
這說明我們的線近似在τ這麼短的時間尺度下完全失效,必須考慮完整的非線因斯坦場方程。”
塔維爾調出第十個螢幕,上面開始出現張量分析的複雜符號:“在非線況下,度規擾h_μν不再是小量。
我們需要直接數值求解完整的因斯坦方程:R_μν - (1/2)R g_μν = (8πG/c?)T_μν。
在球對稱況下,使用各向同座標,度規一般形式為:ds2 = -A(r,t)c2dt2 + B(r,t)(dr2 + r2 dΩ2)。”
“場方程分解為兩個獨立方程:”繼續無地輸出,“(1) ?/?r (r2 ?B/?r) = 8πG/c? · r2 B2 T_00,(2) ?/?t (?B/?r) = 8πG/c? · r B T_01。
對於我們的T_μν形式,這些方程需要數值求解。”
調出第十一個螢幕,上面出現網格和差分公式:“使用有限差分法,將時空離散化為網格。時間步長Δt必須滿足CFL條件:Δt ≤ n(Δr/c)。
對於Δr ~ 1 Δt ≤ 3.3×10^-9 s,但我們需要解析τ = 10^-12 s的現象,所以需要使用自適應網格細化。”
德的眼神已經開始渙散。
塔維爾調出第十二個螢幕,上面出現特徵值和穩定分析:“數值求解時還需要理約束滿足問題。
因斯坦場方程包含4個約束方程:哈頓約束和量約束。
在演化過程中必須保持這些約束得到滿足,否則解會發散。
我們使用BSSN形式化,引輔助變數? = ln(B)/4,K_ij是外曲率,?γ_ij = B^{-1} δ_ij,?A_ij = K_ij - (1/3)K γ_ij,其中K = γ^ij K_ij。”
“演化方程為:”繼續推進,“?_t ?γ_ij = -2α ?A_ij + L_β ?γ_ij,?_t ? = -α K/6 + L_β ?,?_t K = -D_i D^i α + α(?A_ij ?A^ij + K2/3) + 4πG/c? α(S + ρ)。
其中α是時移函式,β是位移向量,S = γ^ij S_ij,ρ = n^μ n^ν T_μν,n^μ是法向量。”
調出第十三個螢幕:“對於幽能遮蔽解除的邊界條件,我們必須在τ時間將T_μν從初始值過渡到最終值。
這過引過渡函式實現:T_μν(t) = T_μν^final · Θ_τ(t) + T_μν^initial · (1 - Θ_τ(t)),其中Θ_τ(t) = (1 + erf(t/τ))/2,erf是誤差函式。”
“數值模擬的結果顯示,”塔維爾終於開始做總結,但用的依然是數學語言,“在遮蔽解除後,時空度規會在特徵時間t_c ~ R/c ~ 3.3×10^-4 s經歷劇烈振盪。
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