科学家首次对黑洞模拟物进行非线性研究

在最近的研究中，普林斯顿大学的一位科学家首次对黑洞模拟者的合并进行了非线性研究，旨在了解这些物体发射的引力波信号的性质，这可能有助于更准确地识别黑洞。

黑洞模仿者是假想的天体，它们模仿黑洞，具体模仿的是它们的引力波信号及其对周围物体的影响。然而，它们缺乏事件视界，也就是不归点。

这项研究是由普林斯顿大学副研究员尼尔斯·西蒙森(NilsSiemonsen)进行的，他向Phys.org介绍了他的工作。

“黑洞模仿者是与黑洞极为接近但缺乏事件视界的物体。从观察上讲，我们可能能够利用引力波观测将黑洞与模仿其大部分特性的物体区分开来，”他说。

这项研究发表在《物理评论快报》上，重点研究了一种名为玻色子星的黑洞模仿者。西蒙森博士认为，区分玻色子星与黑洞的关键在于玻色子星碰撞和合并时发出的引力波。

双玻色子星和合并

玻色子星是模拟黑洞的潜在候选者之一，顾名思义，它由玻色子组成。玻色子是亚原子粒子，就像光子和希格斯粒子一样。

玻色子星由标量玻色子组成，例如假想的轴子，它们是没有自旋的玻色子，这意味着它们没有内在的角动量。粒子的标量场形成一种受引力束缚的稳定结构，不需要强相互作用。

先前的研究表明，双玻色子恒星系统的合并会产生引力波信号，这是一种由剧烈过程引起的时空涟漪。

这些信号与黑洞衰荡(或合并后阶段)的信号普遍相同，与黑洞模拟物的内部结构无关。

在光穿过模拟物内部一段时间后，可以看到发射的引力波信号的差异，这段时间就是光穿过模拟物直径所需的时间，在本例中模拟物是玻色子恒星。

对于黑洞模拟物来说，其特征是重复的爆发式引力回声。

为了改进早期研究，西蒙森博士试图解决诸如缺乏对非线性引力效应的考虑以及排除物体物质之间的自相互作用等问题。

黑洞模拟物的非线性和自洽处理

为了解决先前研究的局限性，西蒙森博士使用数值模拟来解决完整的爱因斯坦-克莱因-戈登方程，该方程描述了标量场(例如玻色子恒星中的标量场)的演化。

对于合并，研究集中于大质量比场景，即较小的玻色子恒星与较大、更紧凑的恒星的合并，其中克莱因-戈登方程描述双星系统正面碰撞。

克莱因-戈登方程与描述引力动力学的爱因斯坦场方程相结合，可以研究系统的自洽演化。

为了求解这组方程，Siemonsen博士采用了牛顿-拉夫森松弛技术和五阶有限差分方法。

他解释了实施这些技术所面临的挑战：“只有在某些条件下，两颗玻色子恒星的合并才会形成黑洞模拟物。由于尺度分离较大，溶液中发生这种情况的区域特别难以模拟。”

为了克服这些问题，我们使用了自适应网格细化和超高分辨率等方法。

高频爆发

模拟表明，铃声结束的引力波信号包含一个具有不同特性的爆发状成分，就像以前认为的那样，以及一个长寿命的引力波成分。

“在常规的双黑洞合并和振铃中，这两种成分都不会出现。这可能会指导未来专注于测试黑洞范式的引力波搜索，”西蒙森博士解释说。

然而，随着主(或更大)玻色子恒星变得更加紧凑和密集，模仿者的初始引力波信号与旋转黑洞(称为克尔黑洞)的引力波信号相似。

研究发现，爆发的时间取决于参与合并的较小玻色子恒星的大小。

此外，他们还发现了一个长寿命成分，其频率与黑洞的预期频率相当，这可能是由于残余物体的振荡造成的。

“黑洞在很短的时间内就会稳定下来，恢复到静止状态。另一方面，人们普遍认为，黑洞模仿者会在相对较长的时间里，在后者的振铃过程中，以引力波的形式重新发射合并时产生的部分可用能量，”西蒙森博士解释道。

最后，研究表明，引力波发射的总能量明显大于等效黑洞合并事件的预期能量。

未来工作

研究中确定的两个组成部分可用作黑洞合并遗迹和黑洞模拟物之间的区分因素。

“然而，关于有良好动机的黑洞模拟物的性质以及它们的合并和振铃动力学，仍有许多未解问题，”西蒙森博士补充道。

谈到未来的工作，他指出，“一个有趣的未来方向是考虑一个有良好动机的黑洞模拟物，并在双星的背景下理解它的吸积、合并和振铃动力学。

“此外，使用微扰技术分析这些有良好动机的模仿者的振铃并将其与非线性处理联系起来，对于指导未来使用引力波观测对黑洞范式进行测试至关重要。”