填充物使黑洞表面變液體 具分形特徵

  據《新科學家》網站報道,研究人員利用流體動力學和引力相關理論進行模擬後得出結論——“餵養”正在成長過程中的黑洞,將會使其形成分形表面(fractal skin)。

  麻省理工學院研究人員艾倫?亞當斯表示:“我們發現,如果向黑洞內部填充物質,黑洞表面會變得像液體。

  某些特定情況下,還會形成湍流(turbulent)。準確來講,其實是視野本身變成了分形。”

  所謂分形,是具備自相似圖案的數學集合:放大分形的一個局部,看起來會和原來的圖像基本一致,比如曼德勃羅特集合(Mandelbrot set)。自然界中,具備分形幾何特徵的物體比比皆是,從雲朵到英格蘭海岸,都是實例。

  亞當斯和其同事在一個令人意想不到的地方發現分形行為,即前文提到的黑洞。

  黑洞依靠吞噬落入其中物質“成長”;位於我們星系中心的黑洞將在今年年底“享用”一個氣體雲。

  但填充物質後的黑洞成長的具體細節和可能對宿主星系產生的影響,仍是不解之謎。

  為了研究黑洞在“用餐”時的外觀形態,亞當斯利用了愛因斯坦廣義相對論方程和流體動力學的數學對偶性。

  2007年,物理學家證實,愛因斯坦的方程描述了液體和黑洞間的相互轉化關係。

  研究這類數學“遊戲”使學界對液體和黑洞系統都有了更為深入的認識——如果特定行為在一個制度系統下更簡單,那麼它將在另一個體系下事物如何運轉的研究方面給物理學家以啟示。

  湍流現象在流體動力學中十分常見,從牛奶在咖啡中的運動到空氣在飛機機翼周圍的運動,這都是液體流動的一種。

  亞當斯表示:“我們比較了液體和黑洞之間的相似之處,瞭解到如果液體滿足了一些條件,就會出現湍流。但我們並不清楚黑洞產生湍流的條件。”

  哈佛大學博士後Paul Chesler帶領的團隊使用超級計算機建立了湍流液體系統模型。他們模擬黑洞體系,並令其自主發展。

  經過一段時間後,黑洞的外觀似乎已經形成了無限區域。

  亞當斯表示:“這具備了分形的特徵。”黑洞的無限有點像英格蘭海岸線表現出的無限長度特徵——儘管不斷放大,所看到的細節還是和之前一樣,即局部和整體具有相似性。

  哈佛研究團隊簡化了模型的部分方面,使得模擬過程更加容易進行,但對真實黑洞的還原度如何仍是未知數。

  如果真實黑洞確實像模擬中一樣表現出分形特徵,應該可以從它們發射的引力波中分析出來。

  加拿大滑鐵盧圓周理論物理研究所的路易斯?萊納(Luis Lehner)表示:“從很多方面來評價,這一工作都具備非凡的意義。

  第一次有研究團體揭示了黑洞存在湍流現象。它打開了許多有意思的大門,我們將瞭解事物發展的真正機理。”




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