两个独立的团队已经表明,从黑洞合并的扭曲残余物中发出的引力波应该与它们自身相互作用。 通过将这些非线性效应包括在他们的模型中,一个团队,由 基夫米特曼 在加州理工学院,发现他们可以从模拟的“响铃”黑洞中复制引力波信号,准确度比以前的方法高 100 倍。 另一个团队得出了类似的结论,由 张浩耀 在约翰霍普金斯大学
随着两个黑洞猛烈而充满活力的合并,产生的扭曲黑洞必须迅速进入平衡状态。 为了达到这种稳定状态,该物体在称为黑洞衰荡的过程中以引力波 (GW) 的形式释放出巨大的能量。
1973年,一个团队由 索尔图科斯基 是第一个从振铃模拟引力波的人——比第一个黑洞合并引力波早 40 多年 被检测到 由 LIGO 天文台。 然而当时,Teukolsky 及其同事只考虑了残余黑洞中的小扭曲,我们现在知道这并不能很好地描述合并后发生的情况。
大扭曲
“由于黑洞合并非常猛烈,最终黑洞的扭曲通常很大,”米特曼解释道。 “这意味着我们应该期待非线性效应 [例如] GW 在黑洞附近的时空传播时与自身相互作用的效应,从而产生新的波。”
尽管如此,迄今为止,天体物理学家一直认为非线性效应一定太小而无法在可观测的 GW 信号中显示出来。 结果,他们仍然只考虑了 Teukolsky 团队计算的线性效应。
在一项新研究中,Mitman、Teukolsky 及其同事采用了一种更先进的方法来模拟黑洞振铃。 根据团队成员的建议 马卡雷纳拉各斯 在哥伦比亚大学,该团队开发了一种新方法来考虑模型如何描述黑洞合并后发出的 GW 的自相互作用。
Lagos 解释说:“我们通过包括重力的非线性相互作用改进了 GW 模型。 我们考虑了黑洞合并的各种数值模拟,其中包含线性和非线性相互作用。 然后,我们量化了我们的非线性模型再现模拟的效果。”
更精确的模型
正如他们预测的那样,该团队的新方法使他们能够比以前更接近地复制真实的 GW 信号。 “通过包括这个非线性项,而不是 Teukolsky 帮助发现的更熟悉的线性项,我们可以更精确地模拟在我们的数值模拟中创建的 GW,”Mitman 继续说道。 “这意味着当黑洞振铃到稳定状态时,振铃是一个非线性过程。”
通过分析黑洞合并的各种模拟,研究人员发现非线性效应可以占 GW 信号的 10%——这使得它们的影响远比之前的研究假设的要大。 总而言之,这意味着该团队可以对黑洞振铃进行建模,其准确度是纯线性方法的 100 倍。
使用引力波检验爱因斯坦广义相对论时需谨慎
Cheung 领导的团队得出了类似的结论,这些结果可能对天文学家根据黑洞在振铃期间发出的 GW 信号探测黑洞内部结构的能力具有重要意义。 “为了从 GW 信号中提取物理信息,我们需要非常精确的分析模型,将黑洞的特性与检测到的信号特征联系起来,”Lagos 解释道。 “我们的结果意味着非线性效应实际上很重要,并且有必要包括在未来的 GW 检测中。”
通过更好地理解振铃本质上是非线性的,该团队希望他们的发现能很快帮助天文学家更好地解释黑洞的神秘行为。
也许最重要的是,它们还可以让研究人员在天体物理学已知的最极端环境中测试阿尔伯特爱因斯坦的广义相对论——它支配着黑洞动力学。 凭借该团队模型提供的精度,这些测试最终可能证明严格到足以将爱因斯坦的理论推向极限——这可能会出现令人兴奋的新物理学。 然而,天体物理学家将不得不等到下一代 GW 天文台上线,因为目前的 LIGO-Virgo 设施预计无法探测到非线性效应。
该研究描述于 物理评论快报.
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- Sumber: https://physicsworld.com/a/gravitational-waves-from-merging-black-holes-go-nonlinear/
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