物理学家创建环状黑洞新模型Credit: Arxiv: DOI: 10.48550/arxiv.2208.07380
据美国物理学家组织网（by California Institute of Technology）：当两个黑洞相互碰撞形成一个新的更大的黑洞时，它们猛烈地搅动周围的时空，向四面八方发出涟漪，称为引力波。以前对黑洞碰撞的研究使用线性数学来模拟引力波的行为，这意味着向外波动的引力波不会相互影响或相互作用。现在，一项新的分析更详细地模拟了相同的碰撞，并揭示了所谓的非线性效应。
加州理工学院的研究生基夫·米特曼(Keefe Mitman)说:“非线性效应是当波浪在海滩顶部撞击时发生的事情，”他与索尔·特考斯基(Saul Teukolsky，74年博士)一起工作，索尔·特考斯基是加州理工学院的理论天体物理学的罗宾逊教授，并在康奈尔大学任职。
“海浪相互作用，相互影响，而不是独自前行。对于像黑洞合并这样剧烈的事情，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有可能看到非线性。”
这项研究发表在《物理评论快报》杂志上，由加州理工学院、哥伦比亚大学、密西西比大学、康奈尔大学和马克斯·普朗克引力物理研究所的研究人员组成。
在未来，新模型可用于了解更多关于实际黑洞碰撞的信息，自2015年首次直接探测到来自太空的引力波以来，LIGO(激光干涉仪引力波天文台)一直在例行观测这些黑洞碰撞。LIGO将在今年晚些时候重新启动，在此之前将进行一系列升级，使探测器对引力波更加敏感。
米特曼和他的同事是一个名为模拟极端时空合作，或SXS的团队的一部分。由Teukolsky与诺贝尔奖获得者基普·索恩(1962年出生)、加州理工学院荣誉退休理论物理学教授Richard P. Feynman合作建立的SXS项目使用超级计算机来模拟黑洞合并。超级计算机使用阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论方程模拟黑洞在螺旋聚集和合并时的演化过程。事实上，Teukolsky是第一个理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，这发生在两个巨大的物体合并之后。
“需要超级计算机来对整个信号进行精确的计算:两个轨道黑洞的运动，它们的合并，以及沉降到一个静止的残余黑洞，”Teukolsky说。“沉降阶段的线性处理是我很久以前在Kip指导下的博士论文的主题。这个阶段的新的非线性处理将允许对波进行更精确的建模，并最终对广义相对论是否是黑洞的正确引力理论进行新的测试。”
到目前为止，SXS模拟已经被证明有助于识别和描述LIGO探测到的近100个黑洞。这项新的研究代表了该团队第一次在振铃阶段的模拟中发现了非线性效应。
“想象有两个人在蹦床上，”米特曼说。“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。但是如果一个人开始用更多的能量弹跳，那么蹦床就会扭曲，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:蹦床上的两个人因为对方的存在和影响而经历新的振荡。”
用引力术语来说，这意味着模拟产生了新类型的波。“如果你在大浪下面挖得更深，你会发现一个具有独特频率的额外的新波浪，”米特曼说。
总的来说，这些新的模拟将帮助研究人员更好地描述LIGO观测到的未来黑洞碰撞的特征，并更好地测试爱因斯坦的广义相对论。
哥伦比亚大学的合著者Macarena Lagos说，“这是为下一阶段的引力波探测做准备的一大步，这将加深我们对这些发生在宇宙偏远地区的令人难以置信的现象中的重力的理解。”
