一項新的分析揭示了引力波中包含的”非線性”效應的存在。當兩個黑洞合併形成一個更大的黑洞時，它們在時空結構中產生了劇烈的擾動，產生了向外傳播的引力波。以前對黑洞合併的研究依賴於線性數學來模擬這些波的行為，假設它們沒有相互作用。然而，最近的一項分析深入研究了這些碰撞，發現了引力波行為中的非線性效應。

黑洞是空間中引力非常強大的區域，以至於沒有任何東西，甚至是光，可以逃脫其牽引。它們是由大質量恆星的殘餘物形成的，這些恆星已經坍縮到自己身上了。

基夫-米特曼說：”非線性效應是海灘上的波峰和碰撞時發生的情況。”他是加州理工學院的研究生，與索爾-特科爾斯基（74年博士）一起工作，後者是加州理工學院理論天體物理學的羅賓遜教授，在康奈爾大學有一個聯合任命。

“這些波相互作用，相互影響，而不是自己騎行。對於像黑洞合併這樣劇烈的事情，我們預計會有這些影響，但直到現在才在模型中看到它們。從我們的模擬中提取波形的新方法使我們有可能看到這些非線性。”

發表在《物理評論快報》雜誌上的這項研究來自於加州理工學院、哥倫比亞大學、密西西比大學、康奈爾大學和馬克斯-普朗克引力物理研究所的一個研究小組。

加州理工學院研究生Keefe Mitman解釋了一個包含非線性引力效應的黑洞碰撞的新數學模型–他把這種現像比作兩個人在蹦床上狂跳時發生的情況。

在未來，這個新模型可以用來了解實際的黑洞碰撞，自從LIGO（激光干涉儀引力波觀測站）在2015年創造歷史，首次從太空直接探測到引力波以來，LIGO就一直在例行觀測。LIGO將在今年晚些時候重新開啟，在此之前，LIGO將獲得一組升級，使探測器對引力波比以前更加敏感。

米特曼和他的同事是一個名為”模擬極端空間合作”（SXS）的團隊的成員。SXS項目由Teukolsky和諾貝爾獎獲得者Kip Thorne（BS ’62）合作創立，他是加州理工學院理論物理學名譽教授Richard P. Feynman，該項目使用超級計算機來模擬黑洞合併。超級計算機利用愛因斯坦的廣義相對論的方程模擬黑洞如何在一起螺旋式地演化和合併。事實上，Teukolsky是第一個了解如何使用這些相對論方程來模擬黑洞碰撞的”下降”階段的人，這個階段就發生在兩個大質量物體合併之後。

“需要超級計算機來進行整個信號的精確計算：兩個軌道上的黑洞的吸入，它們的合併，以及沉降到一個單一的靜止殘餘黑洞，”Teukolsky說。”對沉降階段的線性處理是我不久前在基普手下的博士論文的主題。對這一階段的新的非線性處理將允許對電波進行更精確的建模，並最終對廣義相對論是否事實上是黑洞的正確引力理論進行新的測試。”

事實證明，SXS模擬在識別和描述LIGO迄今為止探測到的近100個黑洞粉碎方面發揮了作用。這項新的研究代表了該團隊首次在模擬環流階段的過程中發現了非線性效應。

“想像一下，在一個蹦床上有兩個人，”米特曼說。”如果他們輕輕地跳，他們不應該影響另一個人那麼多。這就是我們說一個理論是線性的時候所發生的事情。但是如果一個人開始用更多的能量彈跳，那麼蹦床就會扭曲，另一個人就會開始感受到他們的影響。這就是我們所說的非線性：蹦床上的兩個人因為另一個人的存在和影響而經歷新的振盪。”

在引力方面，這意味著模擬產生了新類型的波。”如果你在大波之下深入挖掘，你會發現另外一種具有獨特頻率的新波，”米特曼說。

從大的方面來看，這些新的模擬將幫助研究人員更好地描述LIGO所觀測到的未來黑洞碰撞的特徵，並更好地測試愛因斯坦的廣義相對論。

合著者、哥倫比亞大學的Macarena Lagos說：”這是我們為下一階段的引力波探測做準備的一大步，這將加深我們對發生在宇宙遠處的這些不可思議的現像中的引力的理解”。