引力波怎样能“看”黑洞内部

By Paul Sutter

2022/12/15

在一个黑洞的中心潜伏着什么呢？研究来自黑洞碰撞的空时涟漪可以揭示一个答案。

 两个合并黑洞的描画。(Image credit: ESA)

黑洞是某些宇宙中最神秘的天体之一。这部分是因为当研究黑洞的超密中心时我们用来理解它们的广义相对论方程崩溃了。然而，一篇新的论文显示天文学家有一天怎样通过用引力波克服这一挑战来看合并黑洞的内部并了解它们真的由什么构成的。

在爱因斯坦的广义相对论中，黑洞是由于它们的巨大强的引力阻止光逃逸的天体。一个黑洞的边界被称为事件地平线------如果你超过这个阈值，你就会永远不能从它出来。相对论还预测黑洞的中心是被称为奇点的无限高密度的点。

奇点的存在意味着方程本身正在崩溃；无穷大开始出现在数学中，这阻止进一步的计算。如此我们知道广义相对论是不完整的。一定有一个更基本的理论，可能的联系到了亚原子尺度的量子物理学，它能恰当的描述在一个黑洞的中心正在发生的事情。

我们还没有任何完整的引力的量子理论，但我们确实有几个候选。例如，有预测宇宙中所有的粒子实际上都是由超微小的振动弦组成的弦理论。还有说空时本身是由微小的、不可分割的就像电脑屏幕上的像素一样的块组成的循环量子引力。

这两种方法都能用某些另外的东西取代一个黑洞中心的传统奇点。但当你替换奇点时你通常也消灭事件地平线。这是因为事件地平线是被奇点的无限引力拉力造成的。没有奇点，引力拉力只是难以置信的强大，但不是无限的，如此只要你以足够的速度逃离你总是能逃离一个黑洞的附近。

在弦理论的一些变化中，奇点和事件地平线被缠绕的空时的结的网络取代。在循环量子引力中，奇点变成一些极端小、极端密的异域物质块。在其他模型中，整个黑洞被一层薄薄的物质壳取代，或者被新种类的推测粒子块取代。

引力显微镜

黑洞之谜

已知最近的黑洞在数千光年外，很难来测试这些模型。但偶尔黑洞向我们发送至关重要的信息，特别是当它们一起合并时。当它们做时，它们释放引力波的洪水，这些是空时中的涟漪，能被地球上的敏感仪器探测到，比如激光干涉引力波天文台（LIGO）和处女座实验。

到目前为止，所有黑洞的合并的观测都与被广义相对论预测的普通黑洞模型一致。但一篇11月30日发表在预印本期刊arXiv上的论文提出，随新一代引力波天文台上线，这在未来可能变化。

按照该论文，关键不是在合并本身期间发射的引力波，而是刚好在合并后的。当合并已经完成并且两个黑洞变成一个单一的天体时，新的合并质量正在用一个强的能量振动，就像一个被撞击的钟一样。这种“向外一圈一圈减弱”相有一个明显的引力波签名。

通过研究这些签名，研究人员可能有一天能够告诉哪些黑洞理论成立，哪些不成立。每个黑洞模型预测在“向外一圈一圈减弱”相位期间发射的引力波中的差异，这源自黑洞的内部结构的差异。对于不同的黑洞结构，不同种类的引力波出来。

天文学家希望下一代引力波探测器将足够敏感来探测这些预测的“向外一圈一圈减弱”签名的微小变化。如果他们做，它们将从根本上改变我们的黑洞的概念，并推动我们向解开它们最深的奥秘前进。

https://www.livescience.com/black-hole-singularity-gravitational-waves