物理學家創建環狀黑洞新模型Credit: Arxiv: DOI: 10.48550/arxiv.2208.07380
（神秘的地球uux.cn）據美國物理學家組織網（by California Institute of Technology）：當兩個黑洞相互碰撞形成一個新的更大的黑洞時，它們猛烈地攪動周圍的時空，向四麵八方發出漣漪，稱為引力波。以前對黑洞碰撞的研究使用線性數學來模擬引力波的行為，這意味著向外波動的引力波不會相互影響或相互作用。現在，一項新的分析更詳細地模擬了相同的碰撞，並揭示了所謂的非線性效應。
加州理工學院的研究生基夫·米特曼(Keefe Mitman)說:“非線性效應是當波浪在海灘頂部撞擊時發生的事情，”他與索爾·特考斯基(Saul Teukolsky，74年博士)一起工作，索爾·特考斯基是加州理工學院的理論天體物理學的羅賓遜教授，並在康奈爾大學任職。
“海浪相互作用，相互影響，而不是獨自前行。對於像黑洞合並這樣劇烈的事情，我們預料到了這些影響，但直到現在才在我們的模型中看到它們。從我們的模擬中提取波形的新方法使我們有可能看到非線性。”
這項研究發表在《物理評論快報》雜誌上，由加州理工學院、哥倫比亞大學、密西西比大學、康奈爾大學和馬克斯·普朗克引力物理研究所的研究人員組成。
在未來，新模型可用於了解更多關於實際黑洞碰撞的信息，自2015年首次直接探測到來自太空的引力波以來，LIGO(激光幹涉儀引力波天文台)一直在例行觀測這些黑洞碰撞。LIGO將在今年晚些時候重新啟動，在此之前將進行一係列升級，使探測器對引力波更加敏感。
米特曼和他的同事是一個名為模擬極端時空合作，或SXS的團隊的一部分。由Teukolsky與諾貝爾獎獲得者基普·索恩(1962年出生)、加州理工學院榮譽退休理論物理學教授Richard P. Feynman合作建立的SXS項目使用超級計算機來模擬黑洞合並。超級計算機使用阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論方程模擬黑洞在螺旋聚集和合並時的演化過程。事實上，Teukolsky是第一個理解如何使用這些相對論方程來模擬黑洞碰撞的“振鈴”階段的人，這發生在兩個巨大的物體合並之後。
“需要超級計算機來對整個信號進行精確的計算:兩個軌道黑洞的運動，它們的合並，以及沉降到一個靜止的殘餘黑洞，”Teukolsky說。“沉降階段的線性處理是我很久以前在Kip指導下的博士論文的主題。這個階段的新的非線性處理將允許對波進行更精確的建模，並最終對廣義相對論是否是黑洞的正確引力理論進行新的測試。”
到目前為止，SXS模擬已經被證明有助於識別和描述LIGO探測到的近100個黑洞。這項新的研究代表了該團隊第一次在振鈴階段的模擬中發現了非線性效應。
“想象有兩個人在蹦床上，”米特曼說。“如果他們輕輕地跳，他們不應該對另一個人產生太大的影響。當我們說一個理論是線性的時，就會發生這種情況。但是如果一個人開始用更多的能量彈跳，那麽蹦床就會扭曲，另一個人就會開始感受到他們的影響。這就是我們所說的非線性:蹦床上的兩個人因為對方的存在和影響而經曆新的振蕩。”
用引力術語來說，這意味著模擬產生了新類型的波。“如果你在大浪下麵挖得更深，你會發現一個具有獨特頻率的額外的新波浪，”米特曼說。
總的來說，這些新的模擬將幫助研究人員更好地描述LIGO觀測到的未來黑洞碰撞的特征，並更好地測試愛因斯坦的廣義相對論。
哥倫比亞大學的合著者Macarena Lagos說，“這是為下一階段的引力波探測做準備的一大步，這將加深我們對這些發生在宇宙偏遠地區的令人難以置信的現象中的重力的理解。”

(责任编辑：聖潔凡蕾絲)