研究揭示了黑洞碰撞的典型尾巴
黑洞存在于科学家即使是最先进的望远镜也无法观测的范围。相反，研究人员必须通过大型探测器如LIGO和LISA“倾听”活动的证据。密歇根大学物理学家和理论物理周界研究所的一项新研究正在帮助研究人员更好地理解黑洞如何与周围空间相互作用。图片来源：uux.cn罗伯特·乔丹/密西西比大学数字影像服务
（神秘的地球uux.cn）据密西西比大学（作者：克拉拉·特纳奇）：当黑洞碰撞时，撞击会像钟声一样以引力波的形式辐射到太空。但在波浪之后，出现了第二波回响——物理学家们曾理论化但从未观测到的低语。
一项国际合作首次详细模拟了这些被称为晚时引力波尾巴的低语——可能“听起来”是什么样子。
密西西比大学物理与天文学副教授、该研究合著者利奥·斯坦表示：“到目前为止，我们只在简化模型中见过尾部，尚未在数值相对论的完整模拟中见过。”“这是我们首次完全数值模拟，能清晰看到尾巴。”
斯坦和博士后研究员、理论物理研究所研究员玛丽娜·德阿米西斯（Marina De Amicis）是20名研究人员中的一员，他们在《物理评论快报》上发表了他们的研究成果。
引力波运动时，会稍微拉伸时空。研究人员寻找的尾巴是波经过后时空沉降的最慢“声音”。
德·阿米西斯说：“尾部很有趣，因为它不仅仅是一组离散频率。”“更像是低沉的嗡鸣。它是一组连续频率的集合，这些频率非常小，因为波拉伸后时空试图放松。
“虽然最初的振荡会很快消散，但这种衰变真的非常非常慢。这是时空恢复平衡的最后一声呜咽。”
引力波携带着研究人员用来更好地理解黑洞及其碰撞的数据。然而，晚时的尾巴不仅携带黑洞的信息，还涉及波传播过的所有周围空间。
项目首席研究员德阿米西斯说：“我们试图理解广义相对论，更好地理解我们所生活的宇宙。”“凭借我们在黑洞合并后获得的初始频率，我们可以观察黑洞附近发生的一切的微观尺度。
“令人惊讶的是，尾巴提供了完全互补的信息。尾巴确实依赖于时空的宏大结构，所以它们能给我们更宏观的宇宙动态。”
但检测和验证尾巴却很困难。由于这些频率较低且容易扰，它们常常相互干扰。
为了在模拟中捕捉尾巴，研究人员必须让它们在黑洞碰撞中尽可能“响亮”。这意味着将黑洞通常的合并轨道——相对圆形的轨道——拉伸成本质上是正面碰撞。
斯坦说，这次碰撞“足够响亮”，可以让研究人员看到尾巴的样子，但黑洞正面碰撞的可能性不大。
“大自然会给我们带来什么超级高离心率的事件吗？“大概不会，”这位密西西比大学物理学家说。“如果我们真的遇到非常异常的事件，那就更容易发现尾巴并观察数据。但我们不能要求大自然来做这件事。我们必须利用现有的资源。”
然而，通过进行这些初步模拟，研究人员可以开始更接近理解实际的后期空间尾巴可能是什么样子。
“现在我们有了微调这些模拟的机制，”德阿米奇斯说。“下一步是加入一些轨道运动，看看尾巴在更真实的环境中表现如何。”
甚至晚期尾巴的存在也是爱因斯坦广义相对论的又一强化。
斯坦说：“从狭义相对论转向广义相对论，是我们终于能够以相对论的方式描述引力。”“在广义相对论中，时空可以弯曲。在平坦时空中你不会有尾巴。”
引力波最早在爱因斯坦1915年的广义相对论理论中被预测，并于2015年首次被观测到。利用LISA或LIGO合作项目中的探测器，研究人员依赖引力波模拟来了解数据中应寻找什么。
这次合作的最新模拟意味着——这是首次——研究人员知道在寻找晚期尾巴证据时应关注什么。
更多信息：Marina de Amicis 等，《合并黑洞非线性演化中的晚期尾巴》，《物理评论快报》（2025年）。DOI： 10.1103/2brx-xnyr
