引力波的強(qiáng)度是距原點(diǎn)(橫軸)的距離和時(shí)間的具體度量(縱軸)的函數(shù)。這兩個(gè)面板代表了來(lái)自兩種不同代碼的解決結(jié)果，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)它們非常一致。坍縮數(shù)據(jù)以這樣的研究引力引力方式顯示，即精確的解決自相似性將在該圖像中產(chǎn)生精確重復(fù)的圖案。雖然研究人員清楚地觀察到重復(fù)的坍縮模式，但也很清楚，研究引力引力它們只是解決近似地重復(fù)，而不是坍縮精確地重復(fù)。鳴謝:uux.cn/鮑姆加特等人，研究引力引力《物理評(píng)論快報(bào)》(2023)。解決DOI: 10.1103/PhysRevLett
（神秘的坍縮地球uux.cn）據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)（英格麗德·法德利）：黑洞是空間中的一個(gè)區(qū)域，在那里引力是研究引力引力如此之強(qiáng)，以至于任何東西都無(wú)法逃離它們，解決甚至是坍縮光。這些迷人的區(qū)域已經(jīng)成為無(wú)數(shù)研究的焦點(diǎn)，然而它們形成背后的一些物理機(jī)制還沒(méi)有被完全理解。
黑洞是在所謂的引力坍縮中形成的。這本質(zhì)上是一個(gè)宇宙物體的收縮，由它自身的引力吸引物質(zhì)向內(nèi)(即，朝向物體的重心)。
這種坍縮的物體是否會(huì)形成黑洞取決于該物體的具體性質(zhì)。在某些情況下，一個(gè)物體可能非常接近閾值，很難決定是否形成黑洞。這種類型的坍縮導(dǎo)致了所謂的臨界現(xiàn)象。
幾十年來(lái)，物理學(xué)家一直試圖理解重力塌縮中的臨界現(xiàn)象，因?yàn)樗囊恍傩耘c其他知名的物理系統(tǒng)相同。美國(guó)鮑登學(xué)院和德國(guó)、布拉格、英國(guó)和葡萄牙的其他研究所的國(guó)際研究合作最近在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表了一篇論文，該論文發(fā)現(xiàn)了三個(gè)獨(dú)立進(jìn)行的這些現(xiàn)象的數(shù)值模擬之間的一致，并解決了該研究領(lǐng)域的一些長(zhǎng)期困惑。
該論文的合著者Thomas W. Baumgarte告訴Phys.org說(shuō):“大約30年前，Matt Choptuik首次報(bào)道了接近黑洞形成的重力塌縮中的臨界現(xiàn)象?！?br>一部分是因?yàn)檫@些效應(yīng)與其他物理領(lǐng)域的臨界現(xiàn)象(例如統(tǒng)計(jì)物理中的相變)有許多相同的性質(zhì)，另一部分是因?yàn)樗鼈兲岢隽擞嘘P(guān)廣義相對(duì)論性質(zhì)的基本問(wèn)題，它們立即吸引了來(lái)自不同物理領(lǐng)域的許多研究人員的注意
臨界重力塌縮最吸引人的兩個(gè)特性是普遍性和自相似性。在這種情況下,“普適性”這個(gè)術(shù)語(yǔ)指的是這樣一種觀點(diǎn)，即無(wú)論計(jì)算如何開始，隨著黑洞形成的開始，解決方案將總是相同的。另一方面，自相似性意味著，隨著物理尺度的縮小，這個(gè)普適解將重復(fù)相同的模式。
“雖然Choptuik的計(jì)算涉及到所謂的標(biāo)量場(chǎng)作為物質(zhì)來(lái)源，但安德魯·亞伯拉罕斯和查克·埃文斯很快就報(bào)告了引力波的重力塌縮(即沒(méi)有任何物質(zhì)的純重力)的類似效應(yīng)，”鮑姆加特解釋道。
“更進(jìn)一步的區(qū)別是，Choptuik能夠假設(shè)球?qū)ΨQ，而引力波不能以球?qū)ΨQ存在，以至于亞伯拉罕和埃文斯不得不放寬球?qū)ΨQ的假設(shè)。不幸的是，很難再現(xiàn)后一種結(jié)果，因?yàn)橐恍?shù)字代碼在這種情況下完全失效，或者提供的結(jié)果似乎與亞伯拉罕和埃文斯的結(jié)果相矛盾。”
在20世紀(jì)90年代獲得了明顯矛盾的結(jié)果之后，近30年來(lái)，“純引力”臨界坍縮的性質(zhì)仍然是一個(gè)未解之謎。然而，最近，三個(gè)不同的研究小組使用獨(dú)立開發(fā)的代碼對(duì)這種崩塌進(jìn)行了獨(dú)立的數(shù)值模擬。
“所有這三種代碼都解決了愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論方程，但它們使用了完全不同的數(shù)值策略(例如，光譜方法與有限差分方法)，”鮑姆加特說(shuō)。笛卡爾坐標(biāo)與球極坐標(biāo)、不同的規(guī)范條件等。所有這三種代碼還對(duì)所謂的‘限幅條件’做出不同的選擇(即，它們對(duì)代碼中時(shí)間前進(jìn)的速率采用不同的選擇)。”
Baumgarte和他的同事最近的研究的主要目標(biāo)是共同檢查最近由這三個(gè)不同的研究小組進(jìn)行的三個(gè)數(shù)值模擬。因此，他們的論文是團(tuán)隊(duì)的共同努力，旨在將他們獨(dú)立的研究工作聯(lián)系起來(lái)，以揭示引力坍縮的本質(zhì)。
“作為第一個(gè)發(fā)現(xiàn)，我們報(bào)告說(shuō)，盡管有所有的數(shù)字差異，我們的代碼對(duì)引力波的臨界坍縮產(chǎn)生了完全一致的結(jié)果，”鮑姆加特說(shuō)?！斑@讓我們相信這些發(fā)現(xiàn)是正確的，而不是數(shù)字假象。為切片條件做出合適的選擇變得至關(guān)重要:一個(gè)非常常見的其他選擇，一個(gè)在許多其他數(shù)值相對(duì)論模擬中成功的選擇，在這種情況下失敗了，這解釋了為什么以前解決這個(gè)問(wèn)題的一些嘗試失敗了。”
值得注意的是，在他們的三個(gè)獨(dú)立的數(shù)值模擬中，研究人員沒(méi)有發(fā)現(xiàn)支持普適性的證據(jù)。換句話說(shuō)，他們發(fā)現(xiàn)，在接近黑洞形成時(shí)，用不同的初始數(shù)據(jù)開始數(shù)值會(huì)產(chǎn)生不同的值。
“我們的發(fā)現(xiàn)解釋了另一個(gè)謎團(tuán)，”鮑姆加特說(shuō)?！耙恍┫惹暗难芯繄?bào)告了與亞伯拉罕和埃文斯的結(jié)果的差異，因此看起來(lái)相互矛盾，然而，這些研究也使用了不同的初始數(shù)據(jù)。因此，只有在普遍性的假設(shè)下，結(jié)果之間的不一致才構(gòu)成矛盾——對(duì)此我們看不到任何證據(jù)?！?br>雖然研究人員沒(méi)有發(fā)現(xiàn)普遍性的證據(jù)，但他們發(fā)現(xiàn)了自相似性的近似證據(jù)。然而，有趣的是，與在球?qū)ΨQ臨界坍縮的情況下觀察到的不同，他們觀察到的自相似性似乎并不精確。
早在20世紀(jì)90年代，亞伯拉罕和埃文斯也報(bào)道了一種不精確的自相似性。這些最近的結(jié)果因此與先前的發(fā)現(xiàn)一致，潛在地表明，所報(bào)道的與精確自相似性的偏離可能與缺乏球形對(duì)稱性有關(guān)。
Baumgarte和他的同事最近的工作可能很快為新的數(shù)值和理論研究鋪平道路，這些研究旨在進(jìn)一步研究和重新構(gòu)建引力波的臨界坍縮。這可能會(huì)讓物理學(xué)家更接近于揭示這種有趣的物理現(xiàn)象的本質(zhì)和奧秘，這種現(xiàn)象被認(rèn)為是在黑洞形成之前發(fā)生的。
“雖然我們認(rèn)為我們的工作已經(jīng)解決了引力波臨界坍縮背景下的幾個(gè)公開問(wèn)題，但幾個(gè)后續(xù)問(wèn)題仍然存在，”鮑姆加特補(bǔ)充說(shuō)?！袄纾覀儼l(fā)現(xiàn)一些初始數(shù)據(jù)家族有近似自相似的解，但其他家族沒(méi)有，其他家族的‘閾值解’的性質(zhì)仍然不清楚。
還希望對(duì)黑洞形成的開始進(jìn)行更好的微調(diào)(例如，使用具有更好分辨率和/或其他改進(jìn)的數(shù)字代碼)來(lái)進(jìn)行模擬，以探索是否出現(xiàn)了比迄今為止任何人都實(shí)現(xiàn)的更好的通用臨界微調(diào)解決方案。
“最后，我們計(jì)劃調(diào)查是什么導(dǎo)致了與精確自相似性的偏離，并確定這些偏離是否與缺乏球面對(duì)稱性直接相關(guān)。”

(責(zé)任編輯：時(shí)尚)