新的黑洞数学关闭宇宙盲点

去年，只是为了它的哎呀，斯科特领域和Gaurav Khanna尝试了不应该工作的东西。它实际上工作得很好的事实已经开始造成一些涟漪。

领域和khanna是试图弄清楚黑洞碰撞应该是什么样的研究人员。这些暴力事件不会产生闪光，而是引力波的微弱振动，时空自身的颤动。但观察它们并不像坐在背后等待空间一样简单，就像铃铛一样。为了挑选出这样的信号，研究人员必须不断将数据与引力波检测器的数据与各种数学模型的输出进行比较 - 揭示黑洞碰撞的潜在签名的计算。没有可靠的模型，天文学家不会有一个线索来寻找什么。

麻烦的是，最值得信赖的模型来自爱因斯坦的一般相对论，这是由10个相互关联的方程描述的，这是众所周知的难以解决的。要编年碰撞黑洞之间的复杂相互作用，您不能只使用笔和纸。对于黑洞合并的案例的Einstein方程的第一个所谓的数值相对论解决方案仅在2005年 - 经过数十年的尝试之后计算。他们需要一个超级计算机运行两个月。

像Ligo这样的引力波观测台需要具有大量的解决方案来绘制。在一个完美的世界中，物理学家只能为每种可能的合并排列运行模型 - 一个黑洞，具有一定质量的质量，旋转另一个质量和旋转 - 并与探测器看到的结果进行比较。但计算需要很长时间。 “如果你给我足够大的电脑和足够的时间，你几乎可以模拟任何东西，”马萨诸塞州理工学院的物理学家斯科特·休斯说。 “但是有一个实际问题。计算机时间的数量非常过高“ - 超级计算机上的数周或数月。如果那些黑洞的大小不均匀？计算人员需要这么长时间考虑这项任务几乎不可能。因此，物理学家有效地无法在大于10至1的质量比率之间发现碰撞。

这是领域和Khanna的新工作是如此令人兴奋的一个原因。田野，马萨诸塞大学的数学家，罗德岛大学的物理学家，一定的假设使得非常简化问题：它们将较小的黑洞视为“点粒子” - 一种灰尘，一个具有质量但零半径的物体，没有事件范围。

“就像两个船只在海洋中传递 - 一个划艇，另一个巡航衬里，”领域解释说。 “你不会指望划艇以任何方式影响巡航衬里的轨迹。我们正在说小船，划艇，可以在这笔交易中完全忽略。“

当与游轮相比，当较小的黑洞的质量真的像罗布斯时，他们期待它工作。 “如果质量比约为10,000至1，我们对制作近似感到非常有信心，”Khanna说。

但在研究去年发布的研究中，他和地区，以及研究生Nur Rifat和Cornell物理学家Vijay Varma，决定以大规模比率的方式测试他们的模型，一直到3比1 - 一个从未如此少的比例尝试过，主要是因为没有人认为值得尝试。他们发现即使在这种低极端，他们的模型也商定到约1％之内，通过解决全套爱因斯坦方程而获得的结果 - 一种令人惊讶的准确性水平。

“那是我真的开始注意的时候，”休斯说。他补充说，它们的质量比例3，令人难以置信。“

“这是一个重要的结果，”大学学院都柏林的物理学家Niels Warburton说，他没有参与该研究。

领域和Khanna的模型为3比1的比率的成功使研究人员在10至1及以上的比率上使用它更有信心。希望是这种模型或类似物，可以在数字相对性不能，允许研究人员审查一部分普遍冒险的宇宙。

在朝向彼此螺旋螺旋螺旋并碰撞之后，巨大的身体会产生空间扭曲的扰动 - 引力波 - 通过宇宙传播。最终，一些这些引力波可能会到达地球，其中Ligo和Virgo观察者等待。这些巨大的L形探测器可以感测真正的微小拉伸或上升的时空，即这些波的空间 - 比质子的宽度小的偏移量小。

这些观察者的设计师已经使Herculean努力成为Muffle杂散噪音，但是当您的信号如此弱时，噪音是一个恒定的伴侣。

任何引力波检测中的第一个任务是尝试从该噪声中提取弱信号。字段将过程与“在汽车中驾驶时驾驶着响亮的消声器以及许多静态在收音机上，同时认为可能有一首歌，一个微弱的旋律，在那个嘈杂的背景中的某个地方。”

天文学家采取进入的数据流，并首先询问它是否与先前建模的引力波形一致。它们可能会促进其存储在其“模板库中的数万个信号的初步比较。研究人员无法从此过程中确定精确的黑洞特征。他们只是想知道收音机上有一首歌。

下一步类似于识别歌曲和确定谁唱它以及播放的乐器。研究人员运行数百万计模拟以比较观察到的信号或波形，其中由不同质量和旋转的黑洞产生的那些。这是研究人员可以真正地指导细节的地方。引力波的频率告诉您系统的总质量。该频率随时间变化的变化如何显示质量比，从而改变各个黑洞的质量。频率的变化率也提供有关黑洞旋转的信息。最后，检测波的幅度（或高度）可以揭示系统从地球上望远镜的距离。

如果您必须做数百万次模拟，它们会更快快速。 “为了完成一天，你需要在大约一毫秒内完成，”蒙纳士大学的天文学家Rory Smith说，“罗戈合作成员”。然而，运行单个数字相对性模拟所需的时间 - 忠实地通过爱因斯坦方程式磨练的方式 - 在几天，周甚至几个月内测量。

为了加快这个过程，研究人员通常从完全超级计算机模拟的结果开始 - 到目前为止已经进行了数千数千。然后，他们使用机器学习策略来插入他们的数据，史密斯说，“填补了差距并绘制了可能的模拟的全部空间。”

这种“代理建模”方法很好地运行，只要内插数据与基线模拟的偏远没有​​太远。但是对于高质量比的碰撞模拟非常困难。 “质量比越大，两个普遍存器的黑洞的系统越慢，”威尔堡解释道。他说，对于典型的低质量比计算，您需要在黑洞悬停之前查看20到40个轨道。 “质量比为1,000，你需要看一下1,000个轨道，这将花费太久” - 大约一年。这使得这项任务几乎是“不可能的，即使您有超级计算机，”领域也表示。 “而没有革命性的突破，这也不会在不久的将来。”

因此，代理建模中使用的许多完整模拟在1和4的质量比之间;几乎所有全部都小于10.当利波和处女座检测到2019年以质量比例为9的合并，它是正确的敏感性的限制。 Khanna解释说，这样的事件尚未找到，因为“我们没有超级计算机上的可靠模型，以至于10.我们没有看，因为我们没有模板。”

这就是他和Khanna开发的模型的位置。他们从自己的点粒子近似模型开始，专门设计用于在10上的质量比范围内操作。然后，他们培训了替代模型。这项工作开辟了检测不均匀尺寸的黑洞的合并的机会。

什么样的情况可能会造成这样的合并？研究人员不确定，因为这是宇宙的新打开前沿。但有一些可能性。

首先，天文学家可以想象一个中间质量黑洞，也许是80或100个太阳能群体，与大约5个太阳能块的较小，恒星尺寸的黑洞碰撞。

另一种可能性将涉及花园品种恒星黑洞之间的碰撞和从大爆炸的一个相对萎缩的黑洞 - 一个“原始”黑洞。这些可能只有1％的太阳能质量，而Ligo所检测到的绝大多数黑洞到目前为止，重量超过10个太阳能质量。

今年早些时候，Max Planck引力物理学研究所的研究人员使用的领域和Khanna的代理模型，以通过涉及原始黑洞的合并发出的引力波的迹象来了解Ligo数据。虽然他们没有找到任何，但他们能够对这种假设的黑洞可能丰富的丰富放置更精确的极限。

此外，LISA是一个计划的基于空间的重力波天文台，可能有一天能够在星系中心的普通黑洞和超迹体品种之间证明合并 - 其中一些亿万的太阳块。丽莎的未来是不确定的;其最早的发布日期为2035年，其资金状况尚不清楚。但如果它在发布时，我们可能会在大规模比率高于100万的兼并中看到合并。

一些在包括休斯在内的领域，已经将新模式的成功描述为“点粒子近似的不合理效果”，强调模型对低质量比率的效果造成了真正的谜。研究人员为什么能够忽略较小的黑洞的关键细节，并仍然到达正确的答案？

“这告诉我们有关潜在的物理物理学，”Khanna说，虽然仍然是好奇心的源泉。 “我们不必担心自己的两个物体，周围的活动视野包围，可以以奇怪的方式变得扭曲和互相互动。”但没有人知道为什么。

在没有答案的情况下，现场和khanna正在试图将他们的模型扩展到更现实的情况。在预先打印服务器Arxiv.org的一篇计划在今年夏天早期发布的文件中，研究人员给出了大量的黑洞一些旋转，这在天体性物理学的情况下预计。同样，它们的模型与大规模比率下降到3的数值相对论模拟的发现与3。

他们下次计划考虑椭圆形而不是完美的圆形轨道彼此接近的黑洞。他们还规划了休息，介绍了“未对准的轨道”的概念 - 其中黑洞相对于彼此是歪斜的案例，在不同的几何平面上轨道。

最后，他们希望通过试图休息来从模型中学习。它可以以2或更低的质量比吗？领域和khanna想知道。 “当一个人看到失败时，人们对近似法的信心，”理查德价格是麻省理工学院的物理学家。 “当你做一个令人惊讶的效果的近似时，你想知道你是否在某种程度上是欺骗，不知不觉地使用你不应该进入的结果。”如果字段和khanna将模型推到断裂点，他补充道，“那么你真的知道你正在做的是不是作弊 - 你只是有一个比你预期更好的近似值。”