物理学家创造了新的响铃黑洞模型

当两个黑洞相互碰撞形成一个新的更大的黑洞时，它们会剧烈地搅动它们周围的时空，向四面八方发出称为引力波的涟漪。先前对黑洞碰撞的研究使用所谓的线性数学对引力波的行为进行建模，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，一项新的分析对相同的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在海滩波峰上碰撞时发生的事情”， 加州理工学院研究生 Keefe Mitman说，他与Saul Teukolsky (74 届博士)一起工作，Saul Teukolsky 是加州理工学院理论天体物理学罗宾逊教授，并在康奈尔大学担任联合任命。“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件，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。”

该研究发表在《物理评论快报》杂志上 ，来自加州理工学院、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一组研究人员。

未来，新模型可用于更多地了解 LIGO(激光干涉仪引力波天文台)自 2015 年首次直接探测引力波以来所常规观测的黑洞碰撞实际 情况 。空间。LIGO 将在获得一系列升级后于今年晚些时候重新启动，这些升级将使探测器对引力波比以前更加敏感。

Mitman 和他的同事是名为模拟极限时空协作 ( Simulating eXtreme Spacetimes collaboration, SXS) 的团队的一员 。SXS 项目由 Teukolsky 与诺贝尔奖获得者 Kip Thorne(BS '62)、加州理工学院理论物理学名誉教授 Richard P. Feynman 合作创立，该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·爱因斯坦广义相对论的方程式模拟黑洞在螺旋在一起并合并时如何演化。事实上，Teukolsky 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，该阶段发生在两个大质量天体合并之后。

Teukolsky 说：“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螺旋、它们的合并，以及稳定到一个静止的残余黑洞。” “稳定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。这一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。这项新研究代表了该团队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，”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，蹦床上的两个人会经历新的振荡。”

用引力术语来说，这意味着模拟会产生新型波。“如果你在巨浪下深入挖掘，你会发现一个额外的具有独特频率的新浪潮，”米特曼说。

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。

哥伦比亚大学的共同作者 Macarena Lagos 说：“这是让我们为下一阶段的引力波探测做准备迈出的一大步，这将加深我们对发生在宇宙远处的这些不可思议的现象中的引力的理解。 ”

这项名为“黑洞振铃中的非线性”的研究由谢尔曼仙童基金会、国家科学基金会、哥伦比亚大学创新理论宇宙学奖学金、能源部和西蒙斯基金会资助。加州理工学院的其他作者包括 Sizheng Ma、Yanbei Chen、Nils Deppe、François Hébert、Jordan Moxon [KSL1] [WC2] 和 Mark Scheel。其他作者包括 Leo Stein (BS '06)、Lam Hui、Lawrence Kidder、William Throwe 和 Nils Vu。