2015年，科学家们首次探测到引力波，即当重大宇宙事件--如两个黑洞的碰撞和合并--扰乱宇宙时发生的时空涟漪。对这些波的观测证实了爱因斯坦的广义相对论，该理论预测如果时空像他认为的那样运作，就会出现这种波。在此后的七年里，通过观察这些地外事件发出的引力波，已经探测到近100个合并的黑洞。

两个黑洞即将碰撞和合并的艺术家印象。新的研究导致开发了一个更复杂的模型来模拟宇宙事件，这将使人们更深入地了解合并黑洞的结构。

现在，新的研究让对这些宇宙事件进行建模的能力变得更加复杂。这个由14名研究人员组成的团队由加州理工学院博士生和哥伦比亚学院校友Keefe Mitman（CC'19）、哥伦比亚大学博士后Macarena Lagos、哥伦比亚大学教授林辉和密西西比大学教授Leo Stein领导。他们开发的改进模型为更深入地了解合并黑洞的结构铺平了道路。

在《物理评论快报》上发表的一篇新论文《黑洞环流中的非线性》中，该团队概述了一种更复杂的方法，通过在模型中加入非线性相互作用来模拟引力波所发出的信号。这种建模方法将使科学家能够更好地理解黑洞内部发生的结构，也将有助于检验爱因斯坦的广义相对论是否正确描述了极端天体物理环境中的引力行为。

两个即将合并的黑洞的电脑渲染图。资料来源：SXS透镜/模拟极端空间合作组织

该论文的共同作者Lagos说："这是我们为下一阶段的引力波探测做准备的一大步，这将加深我们对引力和这些发生在宇宙远处的不可思议现象的理解。"

这项研究是在一个恰当的时间进行的。今年3月，首次探测到引力波的LIGO天文台将通电，以收集对发生在遥远空间的事件的新观察。该天文台自2020年以来一直没有运行，当时因为大流行病而关闭了。其他几个主要的探测器预计将在未来几年开始收集数据，这使得它们拥有复杂的模型来解释传入的信息变得更加重要。

共同作者林辉用一个比喻来描述引力波能够提供的信息。"如果我给你一个盒子，问你里面有什么，自然要做的是摇晃它。那会告诉你盒子里是糖果还是硬币。这就是我们试图用这些模型做的事情，就是通过听摇晃时发出的声音来了解黑洞的内部内容。在面对黑洞的情况下，"摇晃"是两个黑洞碰撞和合并时发生的破坏。通过聆听它发出的谐波，我们可以评估黑洞的时空结构。"

两个黑洞合并后发出的引力波的模型迄今只包括线性相互作用，这些模型工作良好，提供了关于黑洞结构和内容的宝贵信息。该论文的作者说，然而，这个新模型可以为黑洞模型的整体准确性提供多达10%的改进。

为了理解使用非线性来描述引力波的重要性，作者描述了海洋中的波。一个上升和下降而不向空中喷水的波浪可以用一个线性方程来描述。但是，一个波峰和断裂的波浪表现出非线性的相互作用。当一些水在波底涌动时，其他的水同时在其上方的卷轴和水滴中向左、向右、向上和向下撞击。波浪的非线性模型将使你了解波浪中所有的水，包括那些空中的水滴，是如何以及何时运动的。引力波类似于水波，而新的模型能够解释相当于外星的额外水滴的情况。

"我们正在为我们将成为引力波探测器做好准备，届时我们将深入挖掘，了解有关其性质的一切，"论文作者之一Stein说。