当两个黑洞相互碰撞形成一个新的更大的黑洞时，它们猛烈地搅动它们周围的时空，向四面八方发出涟漪，称为引力波。以前对黑洞碰撞的研究使用所谓的线性数学模拟了引力波的行为，这意味着向外荡漾的引力波不会相互影响或相互作用。现在，一项新的分析更详细地模拟了相同的碰撞，并揭示了所谓的非线性效应。

“非线性效应是当海滩上的波浪波峰和撞击时发生的事情，”加州理工学院研究生Keefe Mitman说，他与加州理工学院理论天体物理学罗宾逊教授Saul Teukolsky(博士'74)一起工作，在康奈尔大学联合任命。

“海浪相互作用并相互影响，而不是自己驾驭。对于像黑洞合并这样暴力的事情，我们预料到了这些影响，但直到现在还没有在我们的模型中看到它们。从仿真中提取波形的新方法使得看到非线性成为可能。

这项研究被接受发表在《物理评论快报》杂志上，来自加州理工学院、哥伦比亚大学、密西西比大学、康奈尔大学和马克斯普朗克引力物理研究所的一组研究人员。

在未来，新模型可用于了解有关LIGO(激光干涉仪引力波天文台)自2015年首次直接探测来自太空的引力波以来常规观察到的实际黑洞碰撞的更多信息。LIGO将在今年晚些时候进行一系列升级后重新启动，这将使探测器对引力波更加敏感。

Mitman和他的同事是一个名为模拟极限时空协作(SXS)的团队的一员。SXS项目由Teukolsky与诺贝尔奖获得者Kip Thorne(BS ' 62)，Richard P. Feynman理论物理学名誉教授合作创立，SXS项目使用超级计算机来模拟黑洞合并。超级计算机使用阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论的方程模拟黑洞在螺旋式上升和合并时如何演化。事实上，托科尔斯基是第一个理解如何使用这些相对论方程来模拟黑洞碰撞的“振铃”阶段的人，该阶段发生在两个大质量天体合并之后。

“需要超级计算机对整个信号进行精确计算：两个轨道黑洞的螺旋，它们的合并，以及稳定为一个静止的残余黑洞，”Teukolsky说。稳定阶段的线性处理是我不久前在Kip的博士论文的主题。这一阶段的新非线性处理将允许更准确地模拟波，并最终对广义相对论是否实际上是黑洞的正确引力理论进行新的测试。

事实证明，SXS模拟有助于识别和表征LIGO迄今为止检测到的近100次黑洞粉碎。这项新研究代表了该团队首次在振铃阶段的仿真中发现了非线性效应。

“想象一下蹦床上有两个人，”米特曼说。“如果他们轻轻地跳，他们不应该对对方产生太大影响。当我们说一个理论是线性的时，就会发生这种情况。但是，如果一个人开始以更多的能量弹跳，那么蹦床就会扭曲，另一个人就会开始感受到他们的影响。这就是我们所说的非线性：蹦床上的两个人因为另一个人的存在和影响而经历新的振荡。

在引力方面，这意味着模拟会产生新型的波。“如果你在下深入挖掘，你会发现另一个具有独特频率的新波，”米特曼说。

从大局来看，这些新的模拟将帮助研究人员更好地描述LIGO观测到的未来黑洞碰撞，并更好地测试爱因斯坦的广义相对论。

哥伦比亚大学的合著者Macarena Lagos说：“这是我们为下一阶段的引力波探测做好准备的一大步，这将加深我们对发生在宇宙远端的这些令人难以置信的现象中的引力的理解。