新模型为深入了解合并黑洞的结构铺平了道路

2015 年，天体物理学家首次探测到引力波，即中子星或黑洞合并扰乱宇宙时产生的时空涟漪。对这些波的观察证实了爱因斯坦的广义相对论，该理论预测如果时空按照他认为的那样运作，就会发生这种波。从那以后的七年里，通过观察这些地外事件发出的引力波，已经探测到近 100 个合并的黑洞。现在，加州理工学院研究员 Keefe Mitman 及其同事对此类碰撞进行了更详细的建模，并揭示了所谓的非线性效应。

“非线性效应是当海浪冲上海滩时发生的事情，”米特曼说，他是《物理评论快报》杂志上发表的一篇论文的第一作者。

“波浪相互作用并相互影响，而不是自己前行。”

“对于像黑洞合并这样猛烈的事情，我们预料到了这些影响，但直到现在才在我们的模型中看到它们。”

“从我们的模拟中提取波形的新方法使我们能够看到非线性。”

“未来，新模型可用于了解更多关于 LIGO 天文台自 2015 年首次直接探测来自太空的引力波创造历史以来常规观测到的实际黑洞碰撞。”

哥伦比亚大学的林辉教授用一个比喻来描述引力波可以提供的信息：

“如果我给你一个盒子，问你里面装的是什么，你自然会摇晃它。这会告诉你盒子里是糖果还是硬币。这就是我们试图用这些模型做的事情，就是通过聆听黑洞被摇动时发出的声音来了解黑洞的内部结构。”

“黑洞的震动是两个碰撞和合并时发生的破坏。”

“通过聆听它发出的谐波，我们可以评估黑洞的时空结构。”

Mitman、Hui 教授和他们的同事是模拟极端时空 (SXS) 合作组织的成员。

他们使用超级计算机来模拟黑洞在它们螺旋在一起并使用阿尔伯特爱因斯坦广义相对论的方程式合并时如何演化。

事实上，他们是第一个了解如何使用这些相对论方程来模拟黑洞碰撞的振铃阶段的人，黑洞碰撞发生在两个大质量天体合并之后。

“需要超级计算机来对整个信号进行精确计算：两个绕轨道运行的黑洞的吸气、它们的合并，以及稳定下来成为一个静止的残余黑洞，”加州理工学院的索尔图科斯基教授说。

“这个阶段的新非线性处理将允许对波进行更准确的建模，并最终对广义相对论是否实际上是黑洞的正确引力理论进行新的测试。”

事实证明，SXS 模拟有助于识别和表征 LIGO 迄今为止探测到的近 100 个黑洞粉碎。

这项新研究代表了天体物理学家首次在振铃阶段的模拟中发现了非线性效应。

“想象一下，蹦床上有两个人。如果他们轻轻地跳，他们不应该对另一个人产生太大的影响。当我们说一个理论是线性的时，就会发生这种情况，”米特曼说。

“但如果一个人开始用更多的能量弹跳，那么蹦床就会变形，另一个人就会开始感受到他们的影响。”

“这就是我们所说的非线性：由于另一个人的存在和影响，蹦床上的两个人经历了新的振荡。”

用引力术语来说，这意味着模拟会产生新型波。

米特曼说：“如果你在大浪下挖得更深，你会发现一个额外的具有独特频率的新浪潮。”

从大局来看，这些新的模拟将帮助研究人员更好地表征 LIGO 观测到的未来黑洞碰撞，并更好地检验爱因斯坦的广义相对论。

哥伦比亚大学的 Macarena Lagos 博士说：“这是让我们为下一阶段的引力波探测做好准备的重要一步，这将加深我们对发生在宇宙深处的这些令人难以置信的现象的引力的理解。”

密西西比大学的 Leo Stein 教授说：“我们正在为成为引力波侦探做好准备，届时我们将深入挖掘以了解我们所能了解的关于它们本质的一切。”

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