黑洞“限速”揭示新物理学定律

参考消息网10月11日报道 据美国趣味科学网站报道，新研究表明，当超大质量黑洞发生快速碰撞时，它们的速度可达到光速的十分之一。

研究人员已经确定了这一宇宙最极端碰撞的最新速度上限。根据发表在《物理评论快报》周刊上的一项研究，相互碰撞黑洞的“最大可能反冲速度”达到了惊人的每小时6300万英里(约合1.02亿公里)以上——大约是光速的十分之一。研究作者说，当碰撞条件处于两个黑洞之间要么合并要么一碰即散的临界点时，就会出现这个峰值。

接下来，研究人员希望利用爱因斯坦的相对论从数学上证明这个速度无法被超越，这可能会对物理基本定律产生影响。

“我们只是触及了一些可能是更通用描述的皮毛。”研究合著者、美国罗切斯特理工学院数学和统计学教授卡洛斯·卢斯托告诉趣味科学网站。卢斯托说，这个新发现的速度限制可能是影响“从宇宙中最小到最大物体”的一套更大物理定律的一部分。

为了确定黑洞的最大可能反冲速度，卢斯托和研究合著者、罗切斯特理工学院数学与统计学院助理研究员詹姆斯·希利用超级计算机进行了数值模拟。这些计算逐步分析了描述两个相互作用的黑洞如何演化的广义相对论方程。

卢斯托解释说，尽管人们在50多年前就开始尝试用数值方法求解这些方程，但用于预测此类碰撞产生的引力波大小的数值技术直到2005年才开发出来——在那之后的10年，激光干涉仪引力波观测台（LIGO）首次探测到了引力波本身。

此后，LIGO观测到了近100次黑洞碰撞。研究人员将此类碰撞的数据与数值相对论数据进行比较后发现了一条“偏心”或椭圆形的黑洞轨迹。卢斯托说，此前，科学家认为相互接近的黑洞会在接近圆形的轨道上螺旋式接近彼此。椭圆轨道的发现扩大了可能发生碰撞事件的范围，并促使他们寻找极端的碰撞场景。卢斯托说：“我们想做的就是突破这些碰撞的极限。”

卢斯托和希利研究了调整四个参数将如何影响两个黑洞之间引力相互作用的结果，这四个参数是：黑洞的初始动量、最接近点处它们之间的离距、黑洞围绕它自己轴的任何可能旋转的方向以及旋转的幅度。

通过运行1300多次模拟(每次模拟需要两到三周的时间)，研究人员发现了相反自旋相互掠过的黑洞可能的反冲速度的峰值。虽然黑洞能向各个方向发出引力辐射，但相反的自旋会扭曲这种辐射，产生一种推力，从而增加反冲速度。

“黑洞合并后的反冲是它们相互作用的关键部分。”佛罗里达大学物理系副教授伊姆雷·巴托斯通过电子邮件告诉趣味科学网站。巴托斯没有参与这项新研究。

巴托斯补充说：“与每一个有限的理论量一样，看看自然界在某些情况下是否超出了这个量可能会表明我们对黑洞如何工作的理解存在偏差，这将是一件很有趣的事情。”

根据卢斯托的说法，决定两个碰撞黑洞是会合并还是反冲的“临界点”取决于黑洞轨道的一些可变性。因此，卢斯托将这种相互作用比作平滑的相变，比如磁性和超导性的二阶相变，而不是热水的爆炸性一阶相变(其中有限的潜热在全部沸腾之前被吸收)。研究人员还发现了可能类似于这些相变特征的比例因子，尽管还需要进一步的高分辨率模拟来明确识别这些特征。

尽管如此，卢斯托说，这些发现还是暗示了一种“根本原则”的可能性，该原则适用于从原子到相互碰撞黑洞的各个大小尺度。

更重要的是，虽然要将基础物理学的两大支柱——引力的广义相对论和其他基本力的量子理论——结合起来仍然难以理解，但对黑洞的描述与几种理论密切相关，这些理论在两者之间的壁垒上打开了缝隙。

卢斯托说：“这远非严格的证据。但是有一条思路值得进一步研究，也许其他人或我们自己都可以研究出一些名堂。”