黑洞碰撞可能会产生穿越时空的波峰

空间和时间的结构是皱巴巴的，扭曲的。引力会拉扯这种结构，造成凹陷和摆动——其中一些可以被人类观察到，就像引力波一样。当两个黑洞、中子星或其他超大物体相撞时，它们会发出这些波，这些波在 2016 年革命性的 LIGO 实验中首次被听到。

七年前首次探测到引力波后，物理学家认为他们的数学模型已经足够准确描述数据。现在，物理学家刚刚确定，两个黑洞碰撞释放的引力波比之前认为的要复杂得多。加州理工学院和约翰霍普金斯大学的两项新研究于 2 月 22 日同时发表在《物理评论快报》上，结果相同，它们使用计算机模型揭示了黑洞碰撞中所谓的非线性效应，即引力波像海岸上的波浪一样相互影响。

“非线性效应是海滩上海浪达到顶峰并冲击时发生的现象，”加州理工学院天文学家、其中一项研究的主要作者 Keefe Mitman 在一份新闻稿中说道。“海浪相互作用并相互影响，而不是自行前行。对于像黑洞合并这样剧烈的事件，我们预料到了这些效应，但直到现在才在我们的模型中看到它们。”

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这些新研究调查了黑洞-黑洞合并的一个特定部分，称为振铃，因为它类似于敲击钟的振动。当黑洞相撞时，它们会暂时形成一个块状且不稳定的大黑洞，需要稳定下来变成一个简单的圆形。这种稳定和移动会释放出构成振铃的引力波。由于描述这一过程的数学运算很复杂，先前的研究假设引力波不会相互作用。

但这项新研究解决了这些复杂事件，并发现波实际上会相互影响。在计算机模拟中，加州理工学院的研究小组模拟了当两个黑洞在非完美圆形轨道上相撞时会发生什么，约翰霍普金斯大学的团队则以接近光速的速度将两个黑洞迎面撞在一起。这两种情况都特别有能量，导致了他们预期看到的非线性现象。

为了解释为什么能量碰撞会产生这种结果，米特曼将其比作蹦床上的两个人。正如他在新闻稿中指出的那样，两个轻轻地跳上跳下的人不应该对彼此产生太大的影响。“但如果一个人开始以更大的能量弹跳，那么蹦床就会扭曲，另一个人就会开始感受到他们的影响，”米特曼说。“这就是我们所说的非线性：蹦床上的两个人会因为另一个人的存在和影响而经历新的振荡。”

如果不考虑非线性效应，物理学家可能会错误估计他们探测到的黑洞的大小和其他特性——过去几年 LIGO 探测到了很多这样的黑洞。此外，这些细节对于确保我们对物理定律的理解完全正确至关重要，例如检查爱因斯坦广义相对论的复杂性。

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“黑洞的振铃现象为检验爱因斯坦的相对论提供了绝佳的实验场地，”密西西比大学天文学家苏米特·库尔卡尼 (Sumeet Kulkarni) 表示，他并未参与这项研究。“但要使用振铃现象进行测试，就必须完全理解它们。这项研究让我们离这一理解更近了一步。”

然而，目前非线性现象只出现在超级计算机领域。人类最好的黑洞探测器还不够灵敏，无法发现这些微小的影响。不过，未来的探测器项目已经在筹备中，研究人员已经开始为未来做规划。

“显然，下一步是评估这些效应是否能在 LIGO 或下一代探测器中探测到，”约翰霍普金斯大学研究报告的主要作者、物理学家 Mark Ho-Yeuk Cheung 说道。宇宙探测器和爱因斯坦望远镜是两个即将进行的引力波实验，它们可能能够完成这项工作。“虽然前景光明，”Cheung 补充道，“但我们仍需要更精确地量化如何以及何时探测到它们。”

这两个模拟不仅为黑洞之谜提供了新的线索，还展示了科学过程的美妙之处：两个科学家团队得出了独立的结论，补充和支持了其他人的发现。正如米特曼告诉《大众科学》杂志的那样，“我很高兴我们又有了一个美丽的例子，理论家和数值相对论者齐心协力，发现了黑洞运作方式的一些迷人之处。”