西弗吉尼亞大學(xué)助理教授肖恩·麥克威廉姆斯開發(fā)了一種數(shù)學(xué)方法，可以從引力波數(shù)據(jù)中計算出黑洞的性質(zhì)。他寫了一篇論文描述了該方法，并將其發(fā)布在《arXiv》上，這篇論文現(xiàn)已被接受發(fā)表在《物理評論快報》上。

當(dāng)一個與LIGO探測器合作的團隊宣布他們已經(jīng)探測到了引力波，并因此登上了世界各地的頭條新聞。從那時起，那里和其他地方的工作人員一直在繼續(xù)這項工作，希望更好地理解黑洞，合并中子星，最終揭開引力本身。

但是這樣的工作在一個方面受到了阻礙——引力波的來源，合并黑洞，是如此的復(fù)雜，以至于人們認(rèn)為它們產(chǎn)生的信號無法用數(shù)學(xué)解釋。相反，科學(xué)家一直通過將這些信號與計算機模擬產(chǎn)生的信號進行比較來解釋這些信號。在這項新的努力中，McWilliams(他是LIGO科學(xué)合作委員會的成員)聲稱已經(jīng)開發(fā)出可以用來計算信號的數(shù)學(xué)公式。計算包括使用最內(nèi)層穩(wěn)定的圓形軌道(ISCO)，這是一個黑洞周圍的區(qū)域，大約是視界距離的三倍，在這里，一個物體可以繞黑洞運行而不掉進去。

ISCO在歷史上一直是天體物理學(xué)家尋求數(shù)學(xué)方法來解決這個問題的難題。麥克威廉姆斯解釋說：他只是簡單地忽略了合并后黑洞的最終狀態(tài)，從而避開了這個問題。相反，他用廣義相對論來計算當(dāng)一個小質(zhì)量旋轉(zhuǎn)進入最終形成的黑洞，并最終受到擾動時會發(fā)生什么。他指出，這使他能夠計算來自ISCO和內(nèi)部的信號。分析方法使用了他創(chuàng)建的兩個公式來研究黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波。并表示結(jié)果和模擬結(jié)果一樣準(zhǔn)確。

隨著研究人員觀察到更多的黑洞碰撞，它們可能會用于未來的廣義相對論測試，以及分析來自LIGO的數(shù)據(jù)。在McWilliams的說法得到證實之前，該領(lǐng)域其他人還需要做更多的工作。這是一個非常精確、完整的分析模型，用于任意質(zhì)量比和自旋矢量的黑洞雙星后期吸積、合并和環(huán)降，包括基本模式之外的諧波貢獻。這個模型只假設(shè)非線性效應(yīng)在整個合并過程中保持較小，并且是基于對后期二元（雙星合并）演化動力學(xué)的物理理解而建立。

特別是對動態(tài)二元時空的行為趨勢，就像靜態(tài)合并剩余時空的線性擾動一樣，甚至在合并發(fā)生之前也是如此。模型與最精確的數(shù)值相關(guān)性結(jié)果一致，在整個合并-結(jié)束階段都在它們自己的不確定性范圍內(nèi)，而且它是這樣做的，例如，它跨越了目前可用數(shù)值相關(guān)性進行測試的雙星參數(shù)空間整個范圍。此外，模型在大部分相關(guān)參數(shù)空間上都能保持精確到合并剩余時空最內(nèi)層穩(wěn)定的圓形軌道，大大減少了引入唯象自由度來描述后期吸積的需要。

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參考期刊文獻:《arXiv》,《物理評論快報》

Cite: arXiv:1810.00040

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