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这项研究表明,当二元黑洞合并时,视视界会发生什么变化

硬件 时间:2021-11-16 18:55:06 匿名用户

双星黑洞合并是迷人的宇宙学事件,理论上它是宇宙中引力波最强的来源之一。虽然天体物理学家对这些事件进行了广泛的研究,但许多问题仍然没有答案。

德国马克斯普朗克引力物理研究所和加拿大加拿大纽芬兰纪念大学和拉布拉多大学的研究人员最近进行了一项研究,研究在两个非旋转黑洞之间的合并过程中,原始视地平会发生了什么。他们发表在《物理评论快报》上的论文指出,当二元黑洞合并时,明显的视界会因与其他类似视界的结构合并而消失。

视视界是描绘黑洞边缘的边界。在他们之前的工作中,参与最近研究的两名研究人员一直在尝试开发新的方法来识别时空中的明显地平线,其方法足够简单,以至于他们的度量可以写在纸上。使用他们开发的方法,他们能够识别出一些以前工作中忽略的新地平线状表面。

开展该研究的研究人员丹尼尔·波克·科尔布(Daniel Pook Kolb)、罗比·亨尼格尔(Robie A.Hennigar)和伊万·布斯(Ivan Booth)通过电子邮件告诉Phys.org:“这项研究最初的灵感之一是了解丹尼尔及其合作者最近在黑洞合并过程中发现的自相交的明显视界。”。“然后,伊万被要求担任丹尼尔博士论文的主考人,在撰写报告时,他意识到简单的方法也可以应用于丹尼尔更复杂的数值生成的合并时空。论文发表后,我们开始合作。”

起初,PookKolb分析了作为其论文一部分的完整数值模拟数据。他几乎立刻发现了一系列与团队理论预测相符的新结构。

这项新研究的主要目标之一是更好地理解两个黑洞如何合并成一个黑洞。随着研究人员继续他们的分析,他们变得更加自信,他们将能够回答这个悬而未决的问题。

Pook Kolb、Hennigar和Booth解释说:“多年来,人们都知道合并过程中的视界是什么样子的;这是著名的裤子图,但这并没有告诉我们太多关于动力学的信息,特别是黑洞内部时空是如何演化的。”。“为了获得更多的洞察力,我们转而关注在数值相对论界普遍存在的明显视界。”

大约50年前,斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)和乔治·埃利斯(George Ellis)在其著作《时空的大尺度结构》(the Large Scale Structure of Space Time)中对二元黑洞合并时的视视界发生了什么进行了简要的推测。然而,从那时起,研究人员就无法描绘出这一现象的完整而一致的画面。

Pook Kolb、Hennigar和Booth说:“很长一段时间以来,这一直是一个相当学术性的问题,因为黑洞是难以捉摸的物体,从未被单独直接观察过,更不用说亲眼目睹其中两个合并了。”。“自2015年首次检测到合并的引力波特征以来,情况发生了巨大变化。合并观测现在几乎已成为常规。因此,我们认为,了解合并的所有方面本身就很有趣。”

在他们的论文中,Pook Kolb、Hennigar和Booth专门研究了具有一定对称性的黑洞构型,其中整个系统在绕一个轴旋转后保持不变。他们用来进行分析的方法有三个关键部分。

首先,研究人员采用了一种高度精确的技术来模拟时空,包括黑洞内的时空。其次,他们使用了一种数值方法,使他们能够解析视界,即使在视界变得非常扭曲的情况下也是如此。

Pook Kolb、Hennigar和Booth说:“我们的方法的第三个‘要素’是一种概念上简单的方法,可以找到所有可能的视界:寻找视视界的方程从曲面的复杂方程改写为曲线的相对简单方程。”。“一旦找到其中一条曲线,它就可以旋转以获得完整的表面。然后,对地平线的搜索就变成了一维搜索,这在今天的计算机上很容易处理。据我们所知,以前没有人能完全计算出这条曲线的数学,但正是这一点最终使我们能够在未来发现该曲线的结构。”新形成的黑洞的边缘。”

在过去的几十年里,天体物理学家能够清晰地描绘出在二元黑洞合并过程中黑洞外部时空发生了什么。此外,据预测与这些事件有关的引力波现在被一致地探测到。

然而,到目前为止,内部时空发生了什么还不清楚。Pook Kolb、Hennigar和Booth最近的工作为双星黑洞合并时可能发生的事情提供了一些线索。

Pook Kolb、Hennigar和Booth说:“我们的研究最重要的结果是揭示了最初两个视界的命运。”。“它们最终都会消失,但它们不仅会消失。相反,它们会与其他类似地平线的结构一起顺利湮灭。人们可能会说‘它们会及时扭转’,这样一来,它们就变成了我们所说的不稳定。”

这项最新研究的另一个成果是,它引入了一种方法来轻松区分一般边缘表面(也称为MOTSs)和可视为具有物理意义的黑洞边界(即视界)的MOTSs将来,这种方法也可以被其他研究团队用来研究黑洞的视界。

Pook Kolb、Hennigar和Booth解释说:“通过计算MOTS的稳定性性质,我们可以立即判断它是属于物理行为层,还是只是一个不稳定的边缘表面。”。“这个标准对我们来说非常重要:尽管我们发现了大量的边缘表面,但当我们将稳定性属性包括在内时,我们发现了一个非常清晰和简单的结构。”

在他们最近的研究中,Pook Kolb、Hennigar和Booth报告了当两个黑洞合并为一个黑洞时,视视界会发生什么的有价值的新见解。到目前为止,他们的分析考虑了非旋转的双星黑洞,但他们计划最终对旋转黑洞进行进一步的研究。

Pook Kolb、Hennigar和Booth说:“显然,还有很多问题需要解决。”。“最重要的可能是将我们的研究扩展到旋转黑洞的完全通用合并。虽然我们确实认为应该存在非常相似的结构,但我们经常感到惊讶,以至于仍然非常好奇。”

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