在二進制黑洞系統中，每個黑洞的自旋角動量（紅色圓錐形箭頭）和系統的軌道角動量（藍色圓錐形箭頭）的方向隨時間變化或變化。

在一項新的研究中，天體物理學家首次為數十年歷史的方程式提供了解決方案，這些方程式將條件描述為雙星系統中的兩個黑洞相互環繞并向碰撞盤旋。

UT達拉斯物理學助理教授Michael Kesden博士和他的同事們進行了一項新的研究，揭示了宇宙中最活躍的事件-將兩個旋轉的繞著軌道旋轉的黑洞合并為一個更大的黑洞。

這項工作首次為數十年歷史的方程式提供了解決方案，這些方程式將條件描述為雙星系統中的兩個黑洞相互環繞并朝碰撞方向盤旋。這項研究發表在《物理評論快報》上。

凱斯登說，這些解決方案不僅會極大地影響黑洞的研究，而且還將極大地影響宇宙中引力波的搜索。阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）的廣義相對論預測，在二元系統中運行的兩個大質量物體應一起移動，因為該系統發出一種稱為重力波的輻射。

“像電子一樣，加速電荷會產生電磁輻射，包括可見光波。同樣，只要質量加速，就可以產生引力波。”凱斯登說。

他說：“由于重力波而損失的能量使黑洞不斷旋轉，直到它們合并為止，這是宇宙中最活躍的事件。”“這種能量不是以可見光的形式發出，而是以引力波的形式發出，而引力波則非常微弱，很難被發現。”

雖然愛因斯坦的理論預測了引力波的存在，但并未直接檢測到它們。但是，“看到”引力波的能力將為觀察和研究宇宙打開一個新的窗口。

光學望遠鏡可以捕獲可見物體（例如恒星和行星）的照片，射電和紅外望遠鏡可以顯示有關不可見能量事件的其他信息。引力波將為檢驗天體物理學現象提供另一種媒介，凱斯登說。

他說：“使用引力波作為觀測工具，您可以了解數十億年前發射黑波的黑洞的特征，質量和質量比等信息。”“這是重要的數據，可讓您更全面地了解宇宙的演化和本質。”

今年，一項名為激光干涉儀重力波天文臺（LIGO）的大規模物理實驗旨在成為第一個直接檢測重力波的實驗。LIGO是國家科學基金會資助的最大項目之一。

凱斯登說：“我們求解的方程將有助于預測LIGO期望從二元黑洞合并中看到的引力波特征。”“我們期待將我們的解決方案與LIGO收集的數據進行比較。”

Kesden求解的方程式專門處理了二元黑洞的自旋角動量和一種稱為進動的現象。

角動量是旋轉物體具有的旋轉量的量度。自旋角動量包括旋轉速度和自旋指向的方向。對于像旋轉滑板手這樣的簡單物體，角動量的方向會指向上方。

另一種類型的角動量稱為軌道角動量，適用于一種系統，在該系統中，物體彼此圍繞在軌道上。軌道角動量也具有大小和方向。

在像雙星黑洞系統這樣的天體環境中，角動量的單個類型的方向會隨著時間的變化而變化。

凱斯登說：“在這些系統中，您具有三個角動量，它們都相對于軌道平面改變方向-兩個自旋角動量和一個軌道角動量。”“我們現在使用的解決方案描述了進動黑洞旋轉的方向。”

除了求解現有方程式之外，凱斯登還推導了方程式，這些方程式將使科學家能夠更有效，更快速地統計從黑洞形成到合并的自旋進動。

他說：“我們可以比以前更快地完成數百萬次。”“借助這些解決方案，我們可以創建數十億年跟隨黑洞演化的計算機模擬。以前可能要花費數年的模擬現在可以在幾秒鐘內完成。但這不僅更快。從這些模擬中我們可以學到的東西，只是我們無法以其他方式學習。”

劍橋大學，羅徹斯特理工學院和密西西比大學的研究人員也為《物理評論快報》撰寫了論文。這些研究人員得到了美國國家科學基金會和UT達拉斯的部分支持。

出版物：邁克爾·凱斯登（Michael Kesden）等人，“二元黑洞自旋進動的有效勢和形態轉變”，物理。萊特牧師114，081103，2015年2月24日；土井：10.1103 / PhysRevLett.114.081103

研究報告的PDF副本：二元黑洞自旋進動的有效勢和形態轉變

圖像：北川綠