新方法将允许使用LIGO数据更好地测试爱因斯坦的广义相对论

阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论描述了空间和时间的结构，或时空，如何响应质量而弯曲。例如，我们的太阳扭曲了我们周围的空间，使得地球像扔进漏斗的弹珠一样绕着太阳滚动(由于地球的侧向动量，地球不会落入太阳)。

该理论在1915年提出时是革命性的，它将引力重新塑造为时空的弯曲。尽管这个理论对我们周围空间的本质至关重要，但物理学家说这可能不是故事的结局。相反，他们认为量子引力理论试图将广义相对论与量子物理学统一起来，为我们的宇宙如何在最深层次上运作提供了秘密。

寻找量子引力特征的一个地方是黑洞之间的巨大碰撞，那里的引力是最极端的。黑洞是宇宙中最密集的物体——它们的引力如此之强，以至于它们将落入其中的物体挤压成面条状的面条。当两个黑洞碰撞并合并成一个更大的物体时，它们会在它们周围搅动时空，向四面八方发出称为引力波的涟漪。

由加州理工学院和麻省理工学院管理的国家科学基金会资助的LIGO自2015年以来一直在例行探测黑洞合并产生的引力波(其合作伙伴天文台Virgo和KAGRA分别于2017年和2020年加入狩猎)。然而，到目前为止，广义相对论已经通过了一次又一次的测试，没有崩溃的迹象。

现在，加州理工学院领导的两篇新论文，发表在《物理评论X》和《物理评论快报》上，描述了对广义相对论进行更严格测试的新方法。通过更仔细地观察黑洞的结构，以及它们产生的时空涟漪，科学家们正在寻找与广义相对论有小偏差的迹象，这些迹象暗示了量子引力的存在。

“当两个黑洞合并产生一个更大的黑洞时，最后一个黑洞像钟声一样响起，”加州理工学院物理学教授，两项研究的合著者Yanbei Chen(博士'03)解释说。“如果某些量子引力理论是正确的，那么铃声的质量或其音色可能与广义相对论的预测不同。我们的方法旨在寻找这种振铃相位质量的差异，例如谐波和泛音。

第一篇论文由加州理工学院研究生Dongjun Li和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校研究生Pratik Wagle共同领导，报告了一个新的单一方程，用于描述黑洞如何在某些量子引力理论的框架内响起，或者科学家称之为超越广义相对论制度。

这项工作建立在50年前由加州理工学院罗宾逊理论天体物理学教授Saul Teukolsky(博士'73)开发的开创性方程之上。托科尔斯基开发了一个复杂的方程，以更好地理解时空几何的涟漪如何在黑洞周围传播。与数值相对论方法相比，在数值相对论方法中，超级计算机需要同时求解许多与广义相对论有关的微分方程，Teukolsky方程使用起来要简单得多，并且正如李解释的那样，提供了对问题的直接物理见解。

“如果一个人想解决黑洞合并的所有爱因斯坦方程来精确模拟它，他们必须转向超级计算机，”李说。“数值相对论方法对于准确模拟黑洞合并非常重要，它们为解释LIGO数据提供了重要的基础。但物理学家很难直接从数值结果中得出直觉。Teukolsky方程让我们直观地了解振铃阶段的情况。

李能够采用托科尔斯基的方程，并首次将其应用于超广义相对论体系中的黑洞。“我们的新方程使我们能够模拟和理解在黑洞周围传播的引力波，这些引力波比爱因斯坦预测的更奇特，”他说。

第二篇论文发表在《物理评论快报》上，由加州理工学院研究生马思正领导，描述了一种将李方程应用于LIGO及其合作伙伴在下一次观测运行中获取的实际数据的新方法。这种数据分析方法使用一系列过滤器来消除广义相对论预测的黑洞振铃的特征，以便揭示潜在的微妙的，超越广义相对论的特征。

“我们可以在LIGO，Virgo和KAGRA将收集的数据中寻找Dongjun方程描述的特征，”Ma说。“东君找到了一种方法，可以将一大组复杂的方程转化为一个方程，这非常有帮助。这个方程比我们以前使用的方法更有效，更容易使用。

这两项研究相辅相成，李说。“我最初担心我的方程预测的特征会被多个泛音和谐波所掩盖;幸运的是，思正的过滤器可以去除所有这些已知特征，这使我们能够专注于差异，“他说。

陈补充说：“通过共同努力，李和马的发现可以显着提高我们社区探测重力的能力。

第一项研究题为“广义相对论之外旋转黑洞的扰动：修正的托科尔斯基方程”，由西蒙斯基金会，布林森基金会和国家科学基金会(NSF)资助。其他作者包括伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的尼古拉斯·尤内斯。第二项研究名为“黑洞光谱通过模式清洁”，由布林森基金会，西蒙斯基金会，NSF和澳大利亚研究委员会引力波发现卓越中心(OzGrav)资助。澳大利亚国立大学的孙玲也是合著者。

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