时空的结构是起皱和扭曲的。引力拉扯着这种结构，造成凹痕和波动——其中一些可以被人类观测到，即引力波。当两个黑洞、中子星或其他极其巨大的物体碰撞时，它们会发出这些波，这些波首次由革命性的LIGO 实验在 2016 年听到。
在七年前首次探测到之后，物理学家认为他们的数学模型能够充分描述这些数据。现在，物理学家刚刚确定，两个黑洞碰撞产生的引力波比之前想象的要复杂得多。来自加州理工学院和约翰霍普金斯大学的两项新研究——于 2 月 22 日同时发表在《物理评论快报》上，结果相符——使用计算机模型揭示了黑洞碰撞中的所谓非线性效应，其中引力涟漪相互影响，就像海边的波浪一样。
“非线性效应就像海滩上的波浪起伏和碰撞时发生的那样，”加州理工学院天文学家、其中一项研究的首席研究员Keefe Mitman在新闻稿中说道。“波浪会相互作用和影响，而不是独自前行。对于像黑洞合并这样剧烈的事情，我们预期会出现这些效应，但直到现在才在我们的模型中看到它们。”
这些新研究调查了黑洞-黑洞合并的一个特定部分，称为“振铃”（ringdown），因为它类似于被敲击的钟的振动。当黑洞碰撞时，它们会暂时形成一个不规则且不稳定的巨大黑洞，需要稳定下来变成一个简单、圆形的形状。这种稳定和变形会释放出构成振铃的引力波。由于描述此过程的数学是繁琐的，先前的工作假设引力波之间不会相互作用。
但这项新工作解决了这些复杂事件，并发现这些波实际上会相互影响。在计算机模拟中，加州理工学院团队模拟了当两个黑洞在非完美圆形轨道上碰撞时会发生什么，而约翰霍普金斯团队则将两个黑洞以接近光速的速度正面碰撞。这两种情景都具有特别高的能量，导致了他们期望看到的非线性效应。
为了解释高能碰撞为何会产生这种结果，Mitman 将其比作蹦床上的两个人。他指出，在他发布的新闻稿中，轻轻上下跳跃的两个人应该不会对彼此产生太大影响。“但如果一个人开始以更大的能量弹跳，那么蹦床就会变形，另一个人就会开始感受到他们的影响，”Mitman 说。“这就是我们所说的非线性：两个人因为对方的存在和影响而在蹦床上经历新的振荡。”
如果不考虑非线性效应，物理学家可能对他们探测到的黑洞的大小和其他属性产生错误判断——在过去的几年里，LIGO 已经探测到许多这样的黑洞。此外，这些细节对于确保我们对物理定律的理解完全正确至关重要，例如检验阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论的精妙之处。
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“黑洞振铃为检验爱因斯坦的相对论提供了一个很好的试验场，”米西西比大学天文学家、与该研究无关的Sumeet Kulkarni说。“但是，要将振铃用作检验，就必须完全理解它们。这项研究使我们离这种理解更近了一步。”
然而，目前，非线性效应仅在超级计算机领域才能看到。人类最好的黑洞探测器还不够灵敏，无法探测到这些微小的效应。不过，未来的探测器项目已经在进行中，研究人员也已经开始为未来做计划。
“下一步显而易见的是评估这些效应是否可以在 LIGO 或下一代探测器中探测到，”约翰霍普金斯研究的首席研究员、物理学家Mark Ho-Yeuk Cheung说。**“宇宙探测器”（Cosmic Explorer）**和**“爱因斯坦望远镜”（Einstein Telescopes）**是两个即将进行的引力波实验，可能能够完成这项工作。“虽然前景光明，”Cheung 补充道，“但我们仍然需要更精确地量化它们如何以及何时被探测到。”
这两组模拟不仅为黑洞的奥秘带来了新的见解，也展示了科学过程的美妙：两个科学家团队产生独立的结果，互补和支持彼此的发现。正如 Mitman 告诉《Popular Science》：“我只是很着迷，我们又有了一个美丽的例子，说明理论家和数值相对论家携手合作，发现了关于黑洞工作方式的迷人之处。”
