什么潜伏在黑洞的中心？ 研究黑洞碰撞产生的时空涟漪可以揭示答案。
黑洞是宇宙中最神秘的天体之一。 这部分是因为我们用来理解它们的广义相对论方程在研究黑洞的超致密中心时被打破了。 然而，一篇新论文展示了天文学家有一天如何通过使用引力波“看到”合并黑洞内部并了解它们的真正构成来克服这一挑战。
在爱因斯坦的广义相对论中，黑洞是由于其极强的引力而阻止光逃逸的物体。 黑洞的边界被称为事件视界——如果你超过了那个阈值，你将永远无法逃脱。 相对论还预测黑洞的中心是密度无限高的点，称为奇点。
奇点的存在意味着方程本身正在崩溃； 无穷大开始出现在数学中，这阻止了进一步的计算。 所以我们知道广义相对论是不完整的。 必须有一个更基本的理论，可能与亚原子尺度的量子物理学有关，可以正确描述黑洞中心发生的事情。
我们还没有任何完整的量子引力理论，但我们确实有几个候选者。 例如，有弦理论，它预测宇宙中的所有粒子实际上都是由超细振动的弦构成的。 还有圈量子引力，它说时空本身是由微小的、不可分割的块组成的，就像电脑屏幕上的像素一样。
这两种方法都可以用其他东西代替黑洞中心的传统奇点。 但是当你替换奇点时，你通常也会消除事件视界。 那是因为事件视界是由奇点的无限引力引起的。 没有奇点，引力只是非常强大，但不是无限大，所以只要你以足够的速度逃离，你总能逃离黑洞附近。
在弦理论的一些变体中，奇点和事件视界被时空纠结结交织在一起的网络所取代。 在圈量子引力中，奇点变成了一些极小、极致密的奇异物质块。 在其他模型中，整个黑洞被一层薄薄的物质壳或一团团新型推测粒子所取代。
引力显微镜
黑洞之谜
由于最近的已知黑洞距离数千光年，因此很难测试这些模型。 但偶尔黑洞会向我们发送重要信息，尤其是当它们合并在一起时。 当它们这样做时，它们会释放大量引力波，这些引力波是时空中的涟漪，可以用地球上的敏感仪器检测到，例如激光干涉仪引力波天文台 (LIGO) 和 VIRGO 实验。
到目前为止，所有对黑洞合并的观测都与广义相对论预测的香草黑洞模型一致。 但随着新一代引力波天文台的上线，这种情况在未来可能会发生变化，11 月 30 日发表在预印本期刊arXiv 上的一篇论文表明。
根据该论文，关键不是合并过程中发出的引力波，而是合并后立即发出的引力波。 当合并完成并且两个黑洞成为一个物体时，新合并的质量会以强烈的能量振动，就像敲响的钟一样。 这个“振铃”阶段具有明显的引力波特征。
通过研究这些特征，研究人员也许有一天能够分辨出哪些黑洞理论成立，哪些不成立。 每个黑洞模型都预测了振铃阶段发射的引力波的差异，这些差异源于黑洞内部结构的差异。 不同的黑洞结构，会产生不同种类的引力波。
天文学家希望下一代引力波探测器足够灵敏，能够探测到这些预测的振铃特征微小变化。 如果他们这样做了，他们将彻底改变我们对黑洞的概念，并推动我们解开他们最深奥的谜团。