首次解决方案为黑洞碰撞提供了新的见解

在二进制黑洞系统中，每个黑洞的自旋角动量（红色圆锥形箭头）和系统的轨道角动量（蓝色圆锥形箭头）的方向随时间变化或变化。

在一项新的研究中，天体物理学家首次为数十年历史的方程式提供了解决方案，这些方程式将条件描述为双星系统中的两个黑洞相互环绕并向碰撞盘旋。

UT达拉斯物理学助理教授Michael Kesden博士和他的同事们进行了一项新的研究，揭示了宇宙中最活跃的事件-将两个旋转的绕着轨道旋转的黑洞合并为一个更大的黑洞。

这项工作首次为数十年历史的方程式提供了解决方案，这些方程式将条件描述为双星系统中的两个黑洞相互环绕并朝碰撞方向盘旋。这项研究发表在《物理评论快报》上。

凯斯登说，这些解决方案不仅会极大地影响黑洞的研究，而且还将极大地影响宇宙中引力波的搜索。阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的广义相对论预测，在二元系统中运行的两个大质量物体应一起移动，因为该系统发出一种称为重力波的辐射。

“像电子一样，加速电荷会产生电磁辐射，包括可见光波。同样，只要质量加速，就可以产生引力波。”凯斯登说。

他说：“由于重力波而损失的能量使黑洞不断旋转，直到它们合并为止，这是宇宙中最活跃的事件。”“这种能量不是以可见光的形式发出，而是以引力波的形式发出，而引力波则非常微弱，很难被发现。”

虽然爱因斯坦的理论预测了引力波的存在，但并未直接检测到它们。但是，“看到”引力波的能力将为观察和研究宇宙打开一个新的窗口。

光学望远镜可以捕获可见物体（例如恒星和行星）的照片，射电和红外望远镜可以显示有关不可见能量事件的其他信息。引力波将为检验天体物理学现象提供另一种媒介，凯斯登说。

他说：“使用引力波作为观测工具，您可以了解数十亿年前发射黑波的黑洞的特征，质量和质量比等信息。”“这是重要的数据，可让您更全面地了解宇宙的演化和本质。”

今年，一项名为激光干涉仪重力波天文台（LIGO）的大规模物理实验旨在成为第一个直接检测重力波的实验。LIGO是国家科学基金会资助的最大项目之一。

凯斯登说：“我们求解的方程将有助于预测LIGO期望从二元黑洞合并中看到的引力波特征。”“我们期待将我们的解决方案与LIGO收集的数据进行比较。”

Kesden求解的方程式专门处理了二元黑洞的自旋角动量和一种称为进动的现象。

角动量是旋转物体具有的旋转量的量度。自旋角动量包括旋转速度和自旋指向的方向。对于像旋转滑板手这样的简单物体，角动量的方向会指向上方。

另一种类型的角动量称为轨道角动量，适用于一种系统，在该系统中，物体彼此围绕在轨道上。轨道角动量也具有大小和方向。

在像双星黑洞系统这样的天体环境中，角动量的单个类型的方向会随着时间的变化而变化。

凯斯登说：“在这些系统中，您具有三个角动量，它们都相对于轨道平面改变方向-两个自旋角动量和一个轨道角动量。”“我们现在使用的解决方案描述了进动黑洞旋转的方向。”

除了求解现有方程式之外，凯斯登还推导了方程式，这些方程式将使科学家能够更有效，更快速地统计从黑洞形成到合并的自旋进动。

他说：“我们可以比以前更快地完成数百万次。”“借助这些解决方案，我们可以创建数十亿年跟随黑洞演化的计算机模拟。以前可能要花费数年的模拟现在可以在几秒钟内完成。但这不仅更快。从这些模拟中我们可以学到的东西，只是我们无法以其他方式学习。”

剑桥大学，罗彻斯特理工学院和密西西比大学的研究人员也为《物理评论快报》撰写了论文。这些研究人员得到了美国国家科学基金会和UT达拉斯的部分支持。

出版物：迈克尔·凯斯登（Michael Kesden）等人，“二元黑洞自旋进动的有效势和形态转变”，物理。莱特牧师114，081103，2015年2月24日；土井：10.1103 / PhysRevLett.114.081103

研究报告的PDF副本：二元黑洞自旋进动的有效势和形态转变

图像：北川绿