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你想試試嗎?利用引力波數據計算黑洞性質的數學方法!


博科園西維吉尼亞大學助理教授肖恩·麥克威廉士開發了一種數學方法,可以從引力波數據中計算出黑洞的性質。他寫了一篇論文描述了該方法,並將其發布在...

- 2019年5月10日23時45分
- 科學文摘 / 博科園

博科園

西維吉尼亞大學助理教授肖恩·麥克威廉士開發了一種數學方法,可以從引力波數據中計算出黑洞的性質。他寫了一篇論文描述了該方法,並將其發布在《arXiv》上,這篇論文現已被接受發表在《物理評論快報》上。當一個與LIGO探測器合作的團隊宣布他們已經探測到了引力波,並因此登上了世界各地的頭條新聞。從那時起,那裡和其他地方的工作人員一直在繼續這項工作,希望更好地理解黑洞,合併中子星,最終揭開引力本身。

但是這樣的工作在一個方面受到了阻礙——引力波的來源,合併黑洞,是如此的複雜,以至於人們認為它們產生的信號無法用數學解釋。相反,科學家一直通過將這些信號與計算機模擬產生的信號進行比較來解釋這些信號。在這項新的努力中,McWilliams(他是LIGO科學合作委員會的成員)聲稱已經開發出可以用來計算信號的數學公式。計算包括使用最內層穩定的圓形軌道(ISCO),這是一個黑洞周圍的區域,大約是視界距離的三倍,在這裡,一個物體可以繞黑洞運行而不掉進去。

ISCO在歷史上一直是天體物理學家尋求數學方法來解決這個問題的難題。麥克威廉士解釋說:他只是簡單地忽略了合併後黑洞的最終狀態,從而避開了這個問題。相反,他用廣義相對論來計算當一個小質量旋轉進入最終形成的黑洞,並最終受到擾動時會發生什麼。他指出,這使他能夠計算來自ISCO和內部的信號。分析方法使用了他創建的兩個公式來研究黑洞碰撞產生的引力波。並表示結果和模擬結果一樣準確。


隨著研究人員觀察到更多的黑洞碰撞,它們可能會用於未來的廣義相對論測試,以及分析來自LIGO的數據。在McWilliams的說法得到證實之前,該領域其他人還需要做更多的工作。這是一個非常精確、完整的分析模型,用於任意質量比和自旋矢量的黑洞雙星後期吸積、合併和環降,包括基本模式之外的諧波貢獻。這個模型只假設非線性效應在整個合併過程中保持較小,並且是基於對後期二元(雙星合併)演化動力學的物理理解而建立。

特別是對動態二元時空的行為趨勢,就像靜態合併剩餘時空的線性擾動一樣,甚至在合併發生之前也是如此。模型與最精確的數值相關性結果一致,在整個合併-結束階段都在它們自己的不確定性範圍內,而且它是這樣做的,例如,它跨越了目前可用數值相關性進行測試的雙星參數空間整個範圍。此外,模型在大部分相關參數空間上都能保持精確到合併剩餘時空最內層穩定的圓形軌道,大大減少了引入唯象自由度來描述後期吸積的需要。



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