黑洞之舞照亮宇宙中的隐藏数学

By Sharmila Kuthunur published 37 minutes ago

Black Holes

艺术家的两个黑洞一起向内螺旋在此过程中創造引力波的描畫。 (Image credit: NASA)

科学家们又做出了當两个黑洞彼此紧密飞过时最準確的难以捉摸的空时扰动的预测。

周三（5 月 14 日）发表在《自然》杂志上的新发现表明，來自理论物理学的抽象数学概念在建模空时涟漪中有实际用途，为來解释观测数据的更精确模型铺平道路。

引力波是在空时的織造中被像黑洞或中子星大质量天体的运动造成的扭曲。1915 年，阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论首次预言了它们，一个世纪后的 2015 年它们首次被直接检测到。从那时起，这些波已經變成天文学家探索宇宙的一些最猛烈和最神秘事件的强大观测工具。

此可视化显示隨两个黑洞飞过彼此发射的引力波所携带的能量。科学家们已經用叫 Calabi-Yau 周期的高级数学函数以前所未有的精度计算了这种能量，为更精确的引力波模型铺平了道路。(Image credit: Mathias Driesse/Humboldt Universtität zu Berlin)

为使被激光干涉引力波天文台（LIGO）和處女座等敏感探测器拾起的信号有意義，科学家们需要极其精确的这些波被预期看起來是什麽樣子的精確模型，精神上类似于预测太空天气。直到目前为止，研究人员一直依靠强大的超级计算机来仿真需要逐步完善黑洞轨迹的黑洞相互作用，一个有效但速度缓慢且计算成本高昂的过程。

现在，由柏林洪堡大学的德里厄塞（Mathias Driesse ）领导的一个团队已經采取了一種不同的方法。研究人员不是研究合并而是集中在“散射事件”上——其中两个黑洞在它們的相互引力拉力下彼此靠近渦旋然后继续不用合并沿着不同的路径。隨黑洞加速經過彼此这些遭遇产生强烈的引力波信号。

为精确建模这些事件，该团队转向了量子场论，这是物理学的一个分支，典型的用于描述基本粒子之间的相互作用。从简单的近似和系统上分层复杂性开始，研究人员计算了黑洞飞越的关键结果：它们多被偏转、隨引力波多少能量被辐射以及这些庞然大物相互作用多反彈的。

他们的工作融合了五个复杂度级别，达到物理学家叫后闵可夫斯基阶第五阶——在建模这些相互作用中达到的最高精度级别。

伦敦玛丽皇后大学的粒子物理学家、该研究的合著者古斯塔夫·莫古尔（Gustav Mogull）告诉太空網站，达到这个水平“是前所未有的，代表迄今为止产生的爱因斯坦方程的最精确解”， 莫古尔回忆说，该团队的對取得里程碑式精度的反应是“最惊讶剛好我们设法讓這個工作做了”。

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在计算隨引力波形式辐射的能量时，研究人员发现方程式中出现了被称为Calabi-Yau 流形的复杂六维形状。这些抽象几何结构——往往被可视化为甜甜圈一樣表面的高维类似物——长期以来一直是弦理论的支柱，弦理论是试图來将量子力学与引力统一的一個框架。到目前为止它们据信是纯粹的数学结构，没有聯係到可观察现象的直接的可测试的角色。

然而在这项新研究中，这些形状出现在描述當两个黑洞相互巡航過彼此时以引力波辐射的能量的计算中。这标志着原则上它们首次出现在可以通过实际实验被测试的环境中。

莫古尔将它们的浮现比作从一個放大镜切换到显微镜，揭示以前不可检测到的特征和模式。他说，“这种结构的出现揭示自然被從中构成的各种数学对象”。.

这些发现被期望显着增强未来旨在來预测引力波簽名的理论模型。随下一代引力波探测器包括计划中的激光干涉仪空间天线 （LISA） 和欧洲的爱因斯坦望远镜在未来几年上线，这些改进将是至关重要的。

莫古尔说，“爲了跟上來自這些探測器的更高精度精度中的改進是必要的”。