2015年，科學家們首次探測到引力波，即當重大宇宙事件–如兩個黑洞的碰撞和合併–擾亂宇宙時發生的時空漣漪。對這些波的觀測證實了愛因斯坦的廣義相對論，該理論預測如果時空像他認為的那樣運作，就會出現這種波。在此後的七年裡，通過觀察這些地外事件發出的引力波，已經探測到近100個合併的黑洞。

兩個黑洞即將碰撞和合併的藝術家印象。新的研究導致開發了一個更複雜的模型來模擬宇宙事件，這將使人們更深入地了解合併黑洞的結構。

現在，新的研究讓對這些宇宙事件進行建模的能力變得更加複雜。這個由14名研究人員組成的團隊由加州理工學院博士生和哥倫比亞學院校友Keefe Mitman（CC’19）、哥倫比亞大學博士後Macarena Lagos、哥倫比亞大學教授林輝和密西西比大學教授Leo Stein領導。他們開發的改進模型為更深入地了解合併黑洞的結構鋪平了道路。

在《物理評論快報》上發表的一篇新論文《黑洞環流中的非線性》中，該團隊概述了一種更複雜的方法，通過在模型中加入非線性相互作用來模擬引力波所發出的信號。這種建模方法將使科學家能夠更好地理解黑洞內部發生的結構，也將有助於檢驗愛因斯坦的廣義相對論是否正確描述了極端天體物理環境中的引力行為。

兩個即將合併的黑洞的電腦渲染圖。資料來源：SXS透鏡/模擬極端空間合作組織

該論文的共同作者Lagos說：”這是我們為下一階段的引力波探測做準備的一大步，這將加深我們對引力和這些發生在宇宙遠處的不可思議現象的理解。”

這項研究是在一個恰當的時間進行的。今年3月，首次探測到引力波的LIGO天文台將通電，以收集對發生在遙遠空間的事件的新觀察。該天文台自2020年以來一直沒有運行，當時因為大流行病而關閉了。其他幾個主要的探測器預計將在未來幾年開始收集數據，這使得它們擁有復雜的模型來解釋傳入的信息變得更加重要。

共同作者林輝用一個比喻來描述引力波能夠提供的信息。”如果我給你一個盒子，問你裡面有什麼，自然要做的是搖晃它。那會告訴你盒子裡是糖果還是硬幣。這就是我們試圖用這些模型做的事情，就是通過聽搖晃時發出的聲音來了解黑洞的內部內容。在面對黑洞的情況下，”搖晃”是兩個黑洞碰撞和合併時發生的破壞。通過聆聽它發出的諧波，我們可以評估黑洞的時空結構。”

兩個黑洞合併後發出的引力波的模型迄今只包括線性相互作用，這些模型工作良好，提供了關於黑洞結構和內容的寶貴信息。該論文的作者說，然而，這個新模型可以為黑洞模型的整體準確性提供多達10%的改進。

為了理解使用非線性來描述引力波的重要性，作者描述了海洋中的波。一個上升和下降而不向空中噴水的波浪可以用一個線性方程來描述。但是，一個波峰和斷裂的波浪表現出非線性的相互作用。當一些水在波底湧動時，其他的水同時在其上方的捲軸和水滴中向左、向右、向上和向下撞擊。波浪的非線性模型將使你了解波浪中所有的水，包括那些空中的水滴，是如何以及何時運動的。引力波類似於水波，而新的模型能夠解釋相當於外星的額外水滴的情況。

“我們正在為我們將成為引力波探測器做好準備，屆時我們將深入挖掘，了解有關其性質的一切，”論文作者之一Stein說。