研究解决了引力波的引力坍缩之谜

何一方88

引力波的强度是距原点(横轴)的距离和时间的具体度量(纵轴)的函数。这两个面板代表了来自两种不同代码的结果，团队发现它们非常一致。数据以这样的方式显示，即精确的自相似性将在该图像中产生精确重复的图案。虽然研究人员清楚地观察到重复的模式，但也很清楚，它们只是近似地重复，而不是精确地重复。鸣谢:鲍姆加特等人，《物理评论快报》(2023)。DOI: 10.1103/PhysRevLett

（）据美国物理学家组织网（英格丽德·法德利）：黑洞是空间中的一个区域，在那里引力是如此之强，以至于任何东西都无法逃离它们，甚至是光。这些迷人的区域已经成为无数研究的焦点，然而它们形成背后的一些物理机制还没有被完全理解。

黑洞是在所谓的引力坍缩中形成的。这本质上是一个宇宙物体的收缩，由它自身的引力吸引物质向内(即，朝向物体的重心)。

这种坍缩的物体是否会形成黑洞取决于该物体的具体性质。在某些情况下，一个物体可能非常接近阈值，很难决定是否形成黑洞。这种类型的坍缩导致了所谓的临界现象。

几十年来，物理学家一直试图理解重力塌缩中的临界现象，因为它的一些属性与其他知名的物理系统相同。美国鲍登学院和德国、布拉格、英国和葡萄牙的其他研究所的国际研究合作最近在《物理评论快报》上发表了一篇论文，该论文发现了三个独立进行的这些现象的数值模拟之间的一致，并解决了该研究领域的一些长期困惑。

该论文的合著者Thomas W. Baumgarte告诉Phys.org说:“大约30年前，Matt Choptuik首次报道了接近黑洞形成的重力塌缩中的临界现象。”

一部分是因为这些效应与其他物理领域的临界现象(例如统计物理中的相变)有许多相同的性质，另一部分是因为它们提出了有关广义相对论性质的基本问题，它们立即吸引了来自不同物理领域的许多研究人员的注意

临界重力塌缩最吸引人的两个特性是普遍性和自相似性。在这种情况下,“普适性”这个术语指的是这样一种观点，即无论计算如何开始，随着黑洞形成的开始，解决方案将总是相同的。另一方面，自相似性意味着，随着物理尺度的缩小，这个普适解将重复相同的模式。

“虽然Choptuik的计算涉及到所谓的标量场作为物质来源，但安德鲁·亚伯拉罕斯和查克·埃文斯很快就报告了引力波的重力塌缩(即没有任何物质的纯重力)的类似效应，”鲍姆加特解释道。

“更进一步的区别是，Choptuik能够假设球对称，而引力波不能以球对称存在，以至于亚伯拉罕和埃文斯不得不放宽球对称的假设。不幸的是，很难再现后一种结果，因为一些数字代码在这种情况下完全失效，或者提供的结果似乎与亚伯拉罕和埃文斯的结果相矛盾。”

在20世纪90年代获得了明显矛盾的结果之后，近30年来，“纯引力”临界坍缩的性质仍然是一个未解之谜。然而，最近，三个不同的研究小组使用独立开发的代码对这种崩塌进行了独立的数值模拟。

“所有这三种代码都解决了爱因斯坦的广义相对论方程，但它们使用了完全不同的数值策略(例如，光谱方法与有限差分方法)，”鲍姆加特说。笛卡尔坐标与球极坐标、不同的规范条件等。所有这三种代码还对所谓的‘限幅条件’做出不同的选择(即，它们对代码中时间前进的速率采用不同的选择)。”

Baumgarte和他的同事最近的研究的主要目标是共同检查最近由这三个不同的研究小组进行的三个数值模拟。因此，他们的论文是团队的共同努力，旨在将他们独立的研究工作联系起来，以揭示引力坍缩的本质。

“作为第一个发现，我们报告说，尽管有所有的数字差异，我们的代码对引力波的临界坍缩产生了完全一致的结果，”鲍姆加特说。“这让我们相信这些发现是正确的，而不是数字假象。为切片条件做出合适的选择变得至关重要:一个非常常见的其他选择，一个在许多其他数值相对论模拟中成功的选择，在这种情况下失败了，这解释了为什么以前解决这个问题的一些尝试失败了。”

值得注意的是，在他们的三个独立的数值模拟中，研究人员没有发现支持普适性的证据。换句话说，他们发现，在接近黑洞形成时，用不同的初始数据开始数值会产生不同的值。

“我们的发现解释了另一个谜团，”鲍姆加特说。“一些先前的研究报告了与亚伯拉罕和埃文斯的结果的差异，因此看起来相互矛盾，然而，这些研究也使用了不同的初始数据。因此，只有在普遍性的假设下，结果之间的不一致才构成矛盾——对此我们看不到任何证据。”

虽然研究人员没有发现普遍性的证据，但他们发现了自相似性的近似证据。然而，有趣的是，与在球对称临界坍缩的情况下观察到的不同，他们观察到的自相似性似乎并不精确。

早在20世纪90年代，亚伯拉罕和埃文斯也报道了一种不精确的自相似性。这些最近的结果因此与先前的发现一致，潜在地表明，所报道的与精确自相似性的偏离可能与缺乏球形对称性有关。

Baumgarte和他的同事最近的工作可能很快为新的数值和理论研究铺平道路，这些研究旨在进一步研究和重新构建引力波的临界坍缩。这可能会让物理学家更接近于揭示这种有趣的物理现象的本质和奥秘，这种现象被认为是在黑洞形成之前发生的。

“虽然我们认为我们的工作已经解决了引力波临界坍缩背景下的几个公开问题，但几个后续问题仍然存在，”鲍姆加特补充说。“例如，我们发现一些初始数据家族有近似自相似的解，但其他家族没有，其他家族的‘阈值解’的性质仍然不清楚。

还希望对黑洞形成的开始进行更好的微调(例如，使用具有更好分辨率和/或其他改进的数字代码)来进行模拟，以探索是否出现了比迄今为止任何人都实现的更好的通用临界微调解决方案。

“最后，我们计划调查是什么导致了与精确自相似性的偏离，并确定这些偏离是否与缺乏球面对称性直接相关。”