研究解决了引力波引力塌缩的难题

黑洞是太空中的区域，其引力非常强大，任何东西都无法逃脱它们，甚至是光。这些迷人的区域一直是无数研究的焦点，但其形成背后的一些物理原理尚未完全了解。

黑洞是在所谓的引力塌缩中形成的。这本质上是宇宙物体的收缩，是由于其自身引力将物质向内(即，朝向物体的重心)吸引而引起的。

这种塌缩的物体是否形成黑洞取决于该物体的具体属性。在某些情况下，物体可能非常接近阈值，很难决定是否形成黑洞。这种类型的崩溃会导致所谓的临界现象。

几十年来，物理学家一直试图理解引力坍缩中的关键现象，因为它的一些特性是其他众所周知的物理系统所共有的。美国鲍登学院和德国、布拉格、英国和葡萄牙其他研究所的国际研究合作最近在《物理评论快报》上发表了一篇论文，发现三个独立对这些现象进行的数值模拟之间存在一致性，并解决了一些长期存在的问题。这一研究领域的长期难题。

“大约30年前，马特·乔普图克(MattChoptuik)首次报道了引力塌缩中的关键现象，即接近黑洞形成的时刻，”该论文的合著者托马斯·W·鲍姆加特(ThomasW.Baumgarte)告诉Phys.org。

“部分是因为这些效应与其他物理学领域的关键现象(例如统计物理学中的相变)具有许多共同的性质，部分是因为它们解决了有关广义相对论性质的基本问题，因此它们立即引起了许多研究人员的注意物理学的不同领域。”

临界引力塌缩最令人着迷的两个特性是普遍性和自相似性。在这种情况下，术语普适性是指无论计算如何开始，随着黑洞形成的开始，解总是相同的。另一方面，自相似性意味着随着物理尺度的减小，这种通用解决方案将重复相同的模式。

鲍姆加特解释说：“虽然乔普图克的计算涉及所谓的标量场作为物质源，但安德鲁·亚伯拉罕斯和查克·埃文斯很快就报告了引力波的引力塌缩(即没有任何物质的纯重力)的类似效应。”。

“另一个区别是，Choptuik能够假设球对称，而引力波不能存在于球对称中，因此亚伯拉罕和埃文斯不得不放松球对称的假设。不幸的是，重现这些结果非常困难，因为一些数字代码在这种情况下完全失败，或者提供的结果似乎与亚伯拉罕和埃文斯的结果相矛盾。”

继20世纪90年代获得明显矛盾的结果之后，“纯引力”临界崩溃的本质在近三十年里仍然是一个未解之谜。然而最近，三个不同的研究小组使用独立开发的代码对这次塌陷进行了独立的数值模拟。

“所有这三个代码都解决了爱因斯坦的广义相对论方程，但它们使用了完全不同的数值策略(例如，光谱方法与有限差分方法)，”鲍姆加特说。“笛卡尔坐标与球极坐标、不同的规范条件等。这三个代码也对所谓的‘切片条件’做出了不同的选择(即，它们对代码中时间前进的速率采用了不同的选择)。”

鲍姆加特和他的同事最近研究的主要目标是共同检查这三个不同研究团队最近进行的三个数值模拟。因此，他们的论文是团队的共同努力，旨在弥合他们的独立研究成果，为引力塌缩的本质提供新的线索。

鲍姆加特说：“作为第一个发现，我们报告说，尽管存在所有数值差异，但我们的代码对于引力波的临界崩溃产生了完全一致的结果。”“这让我们相信这些发现是正确的，而不是数值伪影。事实证明，为切片条件做出合适的选择至关重要：一种非常常见的其他选择，在许多其他数值相对论模拟中都取得了成功，但在许多其他数值相对论模拟中都失败了。这个案例解释了为什么之前解决这个问题的一些尝试都失败了。”

值得注意的是，在三个独立的数值模拟中，研究人员没有发现支持普遍性的证据。换句话说，他们发现，在接近黑洞形成时，使用不同的初始数据开始计算会产生不同的值。

“我们的发现解释了另一个难题，”鲍姆加特说。“之前的一些研究报告了与亚伯拉罕斯和埃文斯的结果存在差异，因此显得相互矛盾，然而，这些研究也使用了不同的初始数据。因此，结果之间的分歧只有在普遍性假设下才会构成矛盾——为此我们确实这样做没有看到任何证据。”

虽然研究人员没有发现普遍性的证据，但他们发现了自相似性的近似证据。然而有趣的是，与在球对称性临界塌陷情况下观察到的情况不同，他们观察到的自相似性似乎并不准确。

早在20世纪90年代，亚伯拉罕斯和埃文斯也报告了不精确的自相似性。因此，这些最近的结果与之前的发现是一致的，这可能表明所报告的偏离精确自相似性可能与球对称性的缺失有关。

鲍姆加特和他的同事最近的工作可能很快为新的数值和理论研究铺平道路，旨在进一步研究和重新构建引力波的临界崩溃。这可能会让物理学家更接近揭示这种有趣的物理现象的本质和奥秘，这种现象已知是在黑洞形成之前发生的。

鲍姆加特补充说：“虽然我们相信我们的工作已经解决了引力波严重崩溃背景下的几个悬而未决的问题，但仍有几个后续问题。”“例如，我们发现某些初始数据族有近似自相似的解，但其他族却没有，并且其他族的‘阈值解’的性质仍不清楚。

“还希望对黑洞形成的开始进行更好的微调(例如，使用具有更好分辨率和/或其他改进的数字代码)，以探索是否出现通用的关键解决方案来进行微调比迄今为止任何人取得的成就都要好。

“最后，我们计划调查导致偏离精确自相似性的原因，并确定这些偏离是否与球对称性的缺失直接相关。”

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