引力波的強度是距原點(橫軸)的距離和時間的具體度量(縱軸)的函數。這兩個面板代表了來自兩種不同代碼的解決結果，團隊發現它們非常一致。坍縮數據以這樣的研究引力引力方式顯示，即精確的解決自相似性將在該圖像中產生精確重復的圖案。雖然研究人員清楚地觀察到重復的坍縮模式，但也很清楚，研究引力引力它們只是解決近似地重復，而不是坍縮精確地重復。鳴謝:uux.cn/鮑姆加特等人，研究引力引力《物理評論快報》(2023)。解決DOI: 10.1103/PhysRevLett
（神秘的坍縮地球uux.cn）據美國物理學家組織網（英格麗德·法德利）：黑洞是空間中的一個區域，在那里引力是研究引力引力如此之強，以至于任何東西都無法逃離它們，解決甚至是坍縮光。這些迷人的區域已經成為無數研究的焦點，然而它們形成背后的一些物理機制還沒有被完全理解。
黑洞是在所謂的引力坍縮中形成的。這本質上是一個宇宙物體的收縮，由它自身的引力吸引物質向內(即，朝向物體的重心)。
這種坍縮的物體是否會形成黑洞取決于該物體的具體性質。在某些情況下，一個物體可能非常接近閾值，很難決定是否形成黑洞。這種類型的坍縮導致了所謂的臨界現象。
幾十年來，物理學家一直試圖理解重力塌縮中的臨界現象，因為它的一些屬性與其他知名的物理系統相同。美國鮑登學院和德國、布拉格、英國和葡萄牙的其他研究所的國際研究合作最近在《物理評論快報》上發表了一篇論文，該論文發現了三個獨立進行的這些現象的數值模擬之間的一致，并解決了該研究領域的一些長期困惑。
該論文的合著者Thomas W. Baumgarte告訴Phys.org說:“大約30年前，Matt Choptuik首次報道了接近黑洞形成的重力塌縮中的臨界現象。”
一部分是因為這些效應與其他物理領域的臨界現象(例如統計物理中的相變)有許多相同的性質，另一部分是因為它們提出了有關廣義相對論性質的基本問題，它們立即吸引了來自不同物理領域的許多研究人員的注意
臨界重力塌縮最吸引人的兩個特性是普遍性和自相似性。在這種情況下,“普適性”這個術語指的是這樣一種觀點，即無論計算如何開始，隨著黑洞形成的開始，解決方案將總是相同的。另一方面，自相似性意味著，隨著物理尺度的縮小，這個普適解將重復相同的模式。
“雖然Choptuik的計算涉及到所謂的標量場作為物質來源，但安德魯·亞伯拉罕斯和查克·埃文斯很快就報告了引力波的重力塌縮(即沒有任何物質的純重力)的類似效應，”鮑姆加特解釋道。
“更進一步的區別是，Choptuik能夠假設球對稱，而引力波不能以球對稱存在，以至于亞伯拉罕和埃文斯不得不放寬球對稱的假設。不幸的是，很難再現后一種結果，因為一些數字代碼在這種情況下完全失效，或者提供的結果似乎與亞伯拉罕和埃文斯的結果相矛盾。”
在20世紀90年代獲得了明顯矛盾的結果之后，近30年來，“純引力”臨界坍縮的性質仍然是一個未解之謎。然而，最近，三個不同的研究小組使用獨立開發的代碼對這種崩塌進行了獨立的數值模擬。
“所有這三種代碼都解決了愛因斯坦的廣義相對論方程，但它們使用了完全不同的數值策略(例如，光譜方法與有限差分方法)，”鮑姆加特說。笛卡爾坐標與球極坐標、不同的規范條件等。所有這三種代碼還對所謂的‘限幅條件’做出不同的選擇(即，它們對代碼中時間前進的速率采用不同的選擇)。”
Baumgarte和他的同事最近的研究的主要目標是共同檢查最近由這三個不同的研究小組進行的三個數值模擬。因此，他們的論文是團隊的共同努力，旨在將他們獨立的研究工作聯系起來，以揭示引力坍縮的本質。
“作為第一個發現，我們報告說，盡管有所有的數字差異，我們的代碼對引力波的臨界坍縮產生了完全一致的結果，”鮑姆加特說。“這讓我們相信這些發現是正確的，而不是數字假象。為切片條件做出合適的選擇變得至關重要:一個非常常見的其他選擇，一個在許多其他數值相對論模擬中成功的選擇，在這種情況下失敗了，這解釋了為什么以前解決這個問題的一些嘗試失敗了。”
值得注意的是，在他們的三個獨立的數值模擬中，研究人員沒有發現支持普適性的證據。換句話說，他們發現，在接近黑洞形成時，用不同的初始數據開始數值會產生不同的值。
“我們的發現解釋了另一個謎團，”鮑姆加特說。“一些先前的研究報告了與亞伯拉罕和埃文斯的結果的差異，因此看起來相互矛盾，然而，這些研究也使用了不同的初始數據。因此，只有在普遍性的假設下，結果之間的不一致才構成矛盾——對此我們看不到任何證據。”
雖然研究人員沒有發現普遍性的證據，但他們發現了自相似性的近似證據。然而，有趣的是，與在球對稱臨界坍縮的情況下觀察到的不同，他們觀察到的自相似性似乎并不精確。
早在20世紀90年代，亞伯拉罕和埃文斯也報道了一種不精確的自相似性。這些最近的結果因此與先前的發現一致，潛在地表明，所報道的與精確自相似性的偏離可能與缺乏球形對稱性有關。
Baumgarte和他的同事最近的工作可能很快為新的數值和理論研究鋪平道路，這些研究旨在進一步研究和重新構建引力波的臨界坍縮。這可能會讓物理學家更接近于揭示這種有趣的物理現象的本質和奧秘，這種現象被認為是在黑洞形成之前發生的。
“雖然我們認為我們的工作已經解決了引力波臨界坍縮背景下的幾個公開問題，但幾個后續問題仍然存在，”鮑姆加特補充說。“例如，我們發現一些初始數據家族有近似自相似的解，但其他家族沒有，其他家族的‘閾值解’的性質仍然不清楚。
還希望對黑洞形成的開始進行更好的微調(例如，使用具有更好分辨率和/或其他改進的數字代碼)來進行模擬，以探索是否出現了比迄今為止任何人都實現的更好的通用臨界微調解決方案。
“最后，我們計劃調查是什么導致了與精確自相似性的偏離，并確定這些偏離是否與缺乏球面對稱性直接相關。”