当黑洞合并时发生什么？
2024-10-22 08:04阅读：
当黑洞合并时发生什么？
By Paul Sutter
published 21 October
2024
Black
Holes
当黑洞合并时在它们内部发生什么是任何人的猜测。
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how it works.
(Image credit: SXS (Simulating eXtreme Spacetimes)
Project)
黑洞合并是美丽的并且是
宇宙中一些最剧烈的事件。这里是这个过程如何展开的。
故事开始于两个黑洞在漫长懒惰的圆圈中彼此远离环绕着。它们可能一直是一对天生双星或者它们可能只是在星际空间的深处随机的相遇。无论哪种方式要合并它们必须靠近，这意味着丧失大量的轨道能量。
从系统窃取能量的第一步是通过黑洞的与它们的环境的相互作用。它们不是孤单的——周围总是漂浮着的纤细气体和尘埃，有时甚至有更大的天体如行星或恒星。所有这些天体通过引力与黑洞相互作用。有时它们落进去再也看不见。其他时候它们几乎只是错过，对它们的速度获得一点提升并从黑洞消弱一些轨道能量。
一旦黑洞足够接近另一个过程接管。黑洞随它们彼此环绕搅动空时，这种搅动从黑洞对释放像一个池塘里的涟漪一样的引力波。然而引力波是令人难以置信的微弱，仅当黑洞非常非常一起靠近时它们才会开始严重的消弱能量。
这已经导致天体物理学家到一个叫“最终秒差距问题”的难题。仿真已经表明与环境的引力相互作用能在一个体面量的时间内带黑洞到彼此约一秒差距（约3.26光年）内。但在这个距离内只是没有足够的物质来保持拉走能量。另一方面在相同的距离下，引力波远太弱并且要用宇宙年龄的许多倍来做这项工作。
最后的秒差距问题目前是在天体物理学中一个未解之谜。但无论发生什么机制，最终黑洞都离得足够近引力波真的能从这个系统吸收大量能量。在这个点上黑洞在它们合并之前只有几秒钟。
在这些近距离处黑洞开始彼此形变。它们真的没有表面；事件地平线是不可见的边界，标志着无逃脱的区域。但事件地平线的形状不仅取决于黑洞本身还取决于它周围的空时几何形状。因此随黑洞开始它们的致命的舞蹈，事件地平线伸长并朝向彼此延伸。
我们仅通过监测和跟踪事件地平线的演变的复杂计算机仿真理解接下来发生的。在撞击之前的几毫秒内，每个黑洞朝向它的同伴发送出一条细长的卷须——它的事件地平线的一条微小隧道。这些卷须相遇并合并，在两个黑洞之间形成一座桥梁，宛如它们被一条脐带连接起来一样。
很快这座桥变宽事件地平线像两个碰撞的肥皂泡一样粘在一起。在一瞬间内黑洞合并成一个。
在里面发生的是任何人的猜测。一个黑洞的中心被称为一个奇点，一个无限密度的点。这就是我们目前物理学的理解崩溃的地方。仿真表明奇点发现彼此，短暂地环绕然后合并——但实际发生的是不清楚的。
奇怪的是新合并的黑洞有一个小于原始黑洞对总和的质量。例如，2016年激光干涉仪引力波天文台科学合作组织探测到了来自合并黑洞的第一次引力波事件，发现一个36个太阳质量的黑洞与一个30个太阳质量黑洞合并来创造一个新的质量仅为63个太阳质量的黑洞。
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对额外的三个太阳质量发生了什么？这个质量以引力波的形式转化成了能量。有人必须为所有能量损失买单，而这些损失来自黑洞质量本身的转换。在每次黑洞合并中大约有5%被转化成引力波。
从长远来看，这就像将三个完整的太阳转化为纯粹的能量一样。当黑洞碰撞时它们释放比宇宙中的每一颗恒星都更多的能量——所有这一切在一个完全、彻底的沉默和黑暗中发生。
