新发现的黑洞“速度限制”暗示新的物理学的法则_fzhouy

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仿真揭示黑洞合并和散射的反弹速度达到一个最大值地方之间的临界点。 (Image credit: NASA)

研究人员已经识别了宇宙的最极端的碰撞的一个新的速度限制。按照发表在《物理评论快报》杂志上的一项研究，碰撞黑洞的“最大可能反弹速度”超过一个惊人的6300万英里/小时（1.02亿公里/小时）------大约是光速的十分之一。按照研究作者，当碰撞条件处在两个黑洞要么一起合并要么随它们彼此接近散射开之间的临界点时这个峰值发生。

接下来，研究人员希望数学上证明用爱因斯坦的相对性方程不能超过这个速度，对物理学的基本法则摆出潜在的影响。

该研究的共同作者纽约罗切斯特理工学院（RIT）数学和统计学教授卡洛斯娄思拓告诉生活科学杂志（Live Science）， “我们只是正在摸索可能是一个更普遍描述的表面”。娄思拓说，这个新发现的速度限制可能是影响“从宇宙中最小到最大物体”一切的物理学法则的一个更大集合的部分。

空时织造中的地震

当两个黑洞彼此靠近经过时，在飞散开之前它们将要么会合并要么围绕它们共同的质心转弯。黑洞是飞散开还是螺旋进入彼此依靠它们的在最近接近点的分隔。

为识别黑洞飞散开的最大可能反弹速度，娄思拓和研究合著者、罗切斯特理工学院数学与统计学院的研究助理詹姆斯海里用超级计算机来运行数值仿真。这些计算逐步通过广义相对论描述两个相互作用的黑洞将如何演化的方程。娄思拓解释说，尽管人们在50多年前就开始尝试数值上来求解这些方程，但预测这种来自如此碰撞的引力波大小的数值技术直到2005年为止没有被开发-------在引力波本身被激光干涉仪引力波天文台（LIGO）首次探测到之前10年。

詹姆斯韦伯太空望远镜观测到两个在它们中心有超大质量黑洞的星系合并。 (Image credit: ESA)

从那时以来，激光干涉仪引力波天文台已经观测到近100次黑洞碰撞。将一次这样的碰撞数据与数值相对论数据比较揭示了一个“偏心”或椭圆形的黑洞轨迹。娄思拓说，以前，科学家们认为彼此接近的黑洞会在近圆形的轨道中螺旋朝向彼此。椭圆轨道的发现拓宽了可能的碰撞事件的范围，并促使他们来寻找极端碰撞场景。娄思拓说，“我们想要的是种推动这些碰撞的极限”。

娄思拓和海里观察了调整四个参数如何影响两个黑洞之间引力参与的结果：黑洞的初始动量、它们在最接近点上的分隔、黑洞可能已经围绕它自身轴的任何旋转的方向以及那个旋转的幅度。

通过运行1381次仿真------ 每次要用两到三周------研究人员发现了有相反的自旋彼此擦过的黑洞可能的反弹速度中的一个峰值。在黑洞在各个方向中给出引力辐射的同时，相反的自旋会扭曲这种辐射，创造一个添加到反弹速度的推力。

佛罗里达大学物理系副教授易木乐巴尔托斯通过电子邮件告诉生活科学杂志，“黑洞在它们合并后反弹是它们的相互作用的一个关键部分”。（巴尔托斯没有参与这项新研究）。这种相互作用对宇宙中有一个高密度黑洞的地方是尤其重要的，因为大的反弹可能将残余的黑洞完全从该区域踢逐出。

巴尔托斯补充道，“与每一个有限的理论量一样，在某些情况下来看自然界是否超过这个是有趣的，可能从我们的黑洞如何工作的理解发信偏差”。

两个超大质量黑洞即将碰撞将引力波吐进太空的描画。. (Image credit: Getty)

新基础物理学

按照娄思拓，决定是否两个碰撞黑洞会合并还是反弹的“临界点”对黑洞轨道中一点变化率是开放的。正因为如此，娄思拓将这种相互作用比作一个平滑的相变，就像磁性和超导性的二阶相变一样，而不是被加热水的爆炸性一阶相变，例如，在它全沸腾之前一个有限量的潜热被吸收的地方。研究人员还瞥见了可能类似于这些相变的比例因子特征，尽管需要进一步的高分辨率仿真来明确的识别这些。