物理学家创建了环形黑洞的新模型

物理学家创建了环形黑洞的新模型黑洞是空间中引力非常强大的区域，以至于没有任何东西，甚至是光，可以逃脱其牵引。它们是由大质量恒星的残余物形成的，这些恒星已经坍缩到自己身上了。基夫-米特曼说："非线性效应是海滩上的波峰和碰撞时发生的情况。"他是加州理工学院的研究生，与索尔-特科尔斯基（74年博士）一起工作，后者是加州理工学院理论天体物理学的罗宾逊教授，在康奈尔大学有一个联合任命。"这些波相互作用，相互影响，而不是自己骑行。对于像黑洞合并这样剧烈的事情，我们预计会有这些影响，但直到现在才在模型中看到它们。从我们的模拟中提取波形的新方法使我们有可能看到这些非线性。"发表在《物理评论快报》杂志上的这项研究来自于加州理工学院、哥伦比亚大学、密西西比大学、康奈尔大学和马克斯-普朗克引力物理研究所的一个研究小组。加州理工学院研究生KeefeMitman解释了一个包含非线性引力效应的黑洞碰撞的新数学模型--他把这种现象比作两个人在蹦床上狂跳时发生的情况。在未来，这个新模型可以用来了解实际的黑洞碰撞，自从LIGO（激光干涉仪引力波观测站）在2015年创造历史，首次从太空直接探测到引力波以来，LIGO就一直在例行观测。LIGO将在今年晚些时候重新开启，在此之前，LIGO将获得一组升级，使探测器对引力波比以前更加敏感。米特曼和他的同事是一个名为"模拟极端空间合作"（SXS）的团队的成员。SXS项目由Teukolsky和诺贝尔奖获得者KipThorne（BS'62）合作创立，他是加州理工学院理论物理学名誉教授RichardP.Feynman，该项目使用超级计算机来模拟黑洞合并。超级计算机利用爱因斯坦的广义相对论的方程模拟黑洞如何在一起螺旋式地演化和合并。事实上，Teukolsky是第一个了解如何使用这些相对论方程来模拟黑洞碰撞的"下降"阶段的人，这个阶段就发生在两个大质量物体合并之后。"需要超级计算机来进行整个信号的精确计算：两个轨道上的黑洞的吸入，它们的合并，以及沉降到一个单一的静止残余黑洞，"Teukolsky说。"对沉降阶段的线性处理是我不久前在基普手下的博士论文的主题。对这一阶段的新的非线性处理将允许对电波进行更精确的建模，并最终对广义相对论是否事实上是黑洞的正确引力理论进行新的测试。"事实证明，SXS模拟在识别和描述LIGO迄今为止探测到的近100个黑洞粉碎方面发挥了作用。这项新的研究代表了该团队首次在模拟环流阶段的过程中发现了非线性效应。"想象一下，在一个蹦床上有两个人，"米特曼说。"如果他们轻轻地跳，他们不应该影响另一个人那么多。这就是我们说一个理论是线性的时候所发生的事情。但是如果一个人开始用更多的能量弹跳，那么蹦床就会扭曲，另一个人就会开始感受到他们的影响。这就是我们所说的非线性：蹦床上的两个人因为另一个人的存在和影响而经历新的振荡。"在引力方面，这意味着模拟产生了新类型的波。"如果你在大波之下深入挖掘，你会发现另外一种具有独特频率的新波，"米特曼说。从大的方面来看，这些新的模拟将帮助研究人员更好地描述LIGO所观测到的未来黑洞碰撞的特征，并更好地测试爱因斯坦的广义相对论。合著者、哥伦比亚大学的MacarenaLagos说："这是我们为下一阶段的引力波探测做准备的一大步，这将加深我们对发生在宇宙远处的这些不可思议的现象中的引力的理解"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1349313.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1349313.htm

弦理论的惊人转折：黑洞可能是时空的缺陷

弦理论的惊人转折：黑洞可能是时空的缺陷一个理论物理学家小组在时空中发现了一种奇怪的结构，在外部观察者看来，这种结构完全像一个黑洞，但仔细观察却又是另一回事：它们将是宇宙结构中的缺陷。爱因斯坦的广义相对论预测了黑洞的存在，黑洞是在巨型恒星坍缩时形成的。但同样的理论预测，它们的中心是奇点，是无限密度的点。由于我们知道无限密度不可能在宇宙中实际发生，我们认为这表明爱因斯坦的理论是不完整的。但经过近一个世纪的寻找延伸，我们还没有确认一个更好的引力理论。艺术家眼中的双胞胎黑洞系统。资料来源：LIGO/加州理工学院但我们确实有一系列候选者，这其中包括弦理论。在弦理论中，宇宙的所有粒子实际上是弦的微观振动环。为了支持我们在宇宙中观察到的各种各样的粒子和力量，这些弦不可能只是在我们的三个空间维度中振动。相反，必须有额外的空间维度，这些维度在自己身上蜷缩成流形，小到可以逃避日常的注意和实验。时空中的这种奇异结构给了一个研究小组他们所需要的工具来识别一类新的物体，他们称之为拓扑孤子。在他们的分析中，他们发现，这些拓扑孤子是时空本身的稳定缺陷。它们的存在不需要物质或其他力量--它们对时空结构来说就像冰上的裂缝一样自然。研究人员通过检查通过它们附近的光的行为来研究这些孤子。因为它们是极端时空的物体，所以它们会弯曲周围的空间和时间，从而影响到光的路径。对于一个遥远的观察者来说，这些孤子会像我们预测的黑洞那样出现。它们会有阴影、光环，等等。从事件地平线望远镜得到的图像和探测到的引力波特征都会表现得一样。只有当你靠近时，你才会意识到你看到的不是一个黑洞。黑洞的关键特征之一是它的事件视界，这是一个假想的表面，如果你穿过它，你会发现自己无法逃脱。因为拓扑孤子不是奇点，所以没有事件视界的特征。因此，假设你能在这次相遇中幸存下来，原则上你可以走到一个孤子面前，把它握在手里。这些拓扑孤子是令人难以置信的假设对象，基于我们对弦理论的理解，而弦理论尚未被证明是我们对物理学理解的一个可行的更新。然而，这些奇异的物体可以作为重要的测试研究。如果研究人员能够发现拓扑孤子和传统黑洞之间的重要观测差异，这可能为找到测试弦理论本身的方法铺平道路。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1360319.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1360319.htm

奇怪的夸克物质：引力波为宇宙中最密集的物质提供了线索

奇怪的夸克物质：引力波为宇宙中最密集的物质提供了线索由两颗中子星之间的合并产生的引力波可以揭示出通过这种合并产生的自由夸克。资料来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心/CI实验室日本理化学研究所的研究人员提出，来自中子星合并的引力波信号可能揭示了超密集夸克胶子物质的存在。通过模拟这些合并并分析由此产生的引力波，他们提出，在未来十年内到期的下一代探测器可以证实这一理论。宇宙中唯一发生这种情况的地方是中子星，即燃烧殆尽的恒星的坍缩残余物，它产生了令人难以置信的密度--一茶匙这样的材料重达几千亿公斤。但是，如果你继续进一步增加压力会发生什么？甚至天体物理学家也不知道这个问题的答案。中子星中心的密度比原子核的密度高三到五倍；这是黑洞形成之前可以达到的最高密度。没有人知道在这种极端密度下物质会发生什么。一种理论认为，中子和质子的超密集汤将分解成夸克和胶子的汤--物质的最基本构成部分。"一些研究人员认为，夸克相将出现在中子星的中心，"理研天体物理大爆炸实验室的ShigehiroNagataki说。"但这是一个猜想"。发现这种奇怪的物质形式是否存在的一个有希望的方法是通过使用引力波探测器观察两个中子星的合并。如果它确实存在，那么质子和中子在合并过程中如何解体为它们的组成夸克有两种可能性。它们可能经历一个尖锐的转变，就像液态水在正常压力下的沸点变成水蒸气一样。或者可能有一个模糊的转变，类似于水在高于临界点的压力下变成水蒸气的方式。现在，Nagataki和他的同事们观察到两颗中子星之间的合并，并计算了它们所产生的引力波，以探索第二种可能性。来自中子星合并的引力波的频率通常取决于中子星旋转的速度。较大的中子星通常旋转较慢，反之亦然。研究小组发现，通过分析中子星引力波的频率，应该可以探测中子星中是否存在夸克相。如果它确实存在，引力波也可以揭示夸克相如何出现。虽然目前的引力波探测器不能探测到这一点，但将在未来十年左右上线的下一代探测器应该能做到。Nagataki说："想到我们应该能够通过探测引力波来探测这种类型的转变，这真是令人惊讶。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1360197.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1360197.htm

欧洲核子研究中心再现来自黑洞的物质：反物质等离子体火球

欧洲核子研究中心再现来自黑洞的物质：反物质等离子体火球超大质量黑洞发射等离子体喷流的艺术家印象图，欧洲核子研究中心的科学家们现在已经在实验室中重现了这一场景。美国宇航局/JPL-加州理工学院这些所谓的相对论喷流被认为包含了由电子及其反物质等价物正电子组成的等离子体。但是，这种物质究竟是如何形成的，又有什么作用，很难通过天文观测和计算机模拟来测量。于是，欧洲核子研究中心的科学家们开始在实验室里制造他们自己的版本。利用高辐射材料（HiRadMat）设施，研究小组从超级质子同步加速器中捕获了3000亿个质子，并将它们喷射到石墨和钽制成的靶子上。这引发了一连串的粒子相互作用，产生了足够多的电子-正电子对来维持稳定的等离子状态。产生等离子体的一系列相互作用示意图罗切斯特大学激光能量学实验室插图/HeatherPalmer首先，质子撞击石墨中的碳原子核，产生的能量足以撞散其中的基本粒子。其中的中性粒子很快衰变为高能伽马射线。这些伽马射线随后与钽的电场相互作用，进而产生成对的电子和正电子。在这次试运行中，产生的电子-正电子对达到了惊人的10万亿个，足以让它开始表现得像一个真正的天体物理等离子体。"这些实验的基本理念是在实验室中重现天体物理现象的微观物理学，例如黑洞和中子星的喷流，"该研究的合著者吉安卢卡-格雷戈里（GianlucaGregori）说。"我们对这些现象的了解几乎完全来自天文观测和计算机模拟，但望远镜无法真正探测微观物理，模拟也涉及近似。像这样的实验室实验是连接这两种方法的桥梁。"这项研究发表在《自然通讯》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434761.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434761.htm

黑洞与黑暗的启示引力波提供暗物质构成的新线索

黑洞与黑暗的启示引力波提供暗物质构成的新线索从地球向大麦哲伦云观测到的黑洞引起的微透镜事件的艺术家印象图。位于大麦哲伦云的一颗背景恒星的光线被银河系光晕中的一个推定原始黑洞（透镜）弯曲，从地球上观测时被放大。微透镜导致背景恒星的亮度发生极具特征性的变化，从而可以确定透镜的质量和距离。图片来源：J.Skowron/OGLE。大麦哲伦云的背景图像：由KevinLoch使用ESA/Gaia数据库编写的bsrender生成。图片来源：J.Skowron/OGLE。大麦哲伦云的背景图片：由KevinLoch使用ESA/Gaia数据库编写的bsrender生成。研究结果发表在《自然》和《天体物理学杂志增刊系列》上的两篇文章中。这项研究是由华沙大学天文台OGLE（光学引力透镜实验）调查的科学家进行的。各种天文观测表明，我们可以看到或触摸到的普通物质只占宇宙总质量和总能量的5%。在银河系中，恒星中每一磅普通物质就对应15磅"暗物质"，它们不发射任何光，只通过引力相互作用。"暗物质的本质仍然是一个谜。大多数科学家认为它是由未知的基本粒子组成的，"两篇文章的第一作者、华沙大学天文台的PrzemekMróz博士说。"不幸的是，尽管经过数十年的努力，但没有任何实验（包括利用大型强子对撞机进行的实验）发现可能是暗物质的新粒子"。通过银河系光环看到的大质量天体对大麦哲伦云的预期微透镜事件与观测到的微透镜事件的对比。如果宇宙中的暗物质由推定的原始黑洞组成，那么在2001-2020年的OGLE勘测中将会探测到500多个微透镜事件。而实际上，OGLE项目只探测到了13次微光事件，很可能是由普通恒星引起的。图片来源：J.Skowron/OGLE。大麦哲伦云背景图片：由KevinLoch使用ESA/Gaia数据库编写的bsrender生成。图片来源：J.Skowron/OGLE。大麦哲伦云的背景图片：由KevinLoch使用ESA/Gaia数据库编写的bsrender生成。原始黑洞的奥秘和潜力自2015年首次探测到一对黑洞合并产生的引力波以来，LIGO和室女座实验已经探测到90多个此类事件。天文学家注意到，LIGO和室女座探测到的黑洞质量（20-100个太阳质量）通常比银河系中已知的黑洞质量（5-20个太阳质量）大得多。Mróz博士说："解释为什么这两个黑洞群如此不同，是现代天文学最大的谜团之一。"一种可能的解释是，LIGO和室女座探测器发现了可能在宇宙早期形成的原始黑洞群。50多年前，英国著名理论物理学家斯蒂芬-霍金（StephenHawking）首次提出了原始黑洞的存在，苏联物理学家雅科夫-泽尔多维奇（YakovZeldovich）也独立提出了这一观点。"我们知道，早期宇宙并不是理想的均质宇宙--微小的密度波动产生了现在的星系和星系团，"Mróz博士说。"类似的密度波动如果超过临界密度对比，就可能坍缩并形成黑洞。"自从首次探测到引力波以来，越来越多的科学家猜测，这种原始黑洞可能构成暗物质的重要部分，如果不是全部的话。大麦哲伦云被银河系光环中的大质量天体透镜化的艺术印象。图片来源：J.Skowron/OGLE利用微透镜技术探索暗物质幸运的是，这一假设可以通过天文观测得到验证。我们观测到银河系中存在大量暗物质。如果它是由黑洞组成的，我们就应该能够在我们的宇宙邻域中探测到它们。鉴于黑洞不会发出任何可探测到的光，这可能吗？根据爱因斯坦的广义相对论，光线可能会在大质量天体的引力场中发生弯曲和偏转，这种现象被称为引力微透镜。"当三个物体--地球上的观测者、光源和透镜--在太空中几乎理想地对齐时，就会发生微透镜现象，"OGLE勘测的首席研究员AndrzejUdalski教授说。"在微透镜事件中，光源的光线可能会发生偏转和放大，我们观测到光源的光线会暂时变亮。"变亮的持续时间取决于透镜天体的质量：质量越大，时间越长。太阳质量天体的微透镜事件通常会持续数周，而质量比太阳大100倍的黑洞的微透镜事件则会持续数年。利用引力微透镜研究暗物质的想法并不新鲜。20世纪80年代，波兰著名天体物理学家博赫丹-帕钦斯基首次提出了这一想法。他的想法激发了三大实验的启动：波兰的OGLE、美国的MACHO和法国的EROS。这些实验的首批结果表明，质量小于一个太阳质量的黑洞可能只占暗物质的不到10%。不过，这些观测对时间尺度极长的微透镜事件并不敏感，因此对大质量黑洞也不敏感，类似于最近用引力波探测器探测到的那些黑洞。智利拉斯坎帕纳斯天文台（由卡内基科学研究所运营）夜景。OGLE项目观测站以及大麦哲伦云和小麦哲伦云。图片来源：KrzysztofUlaczykOGLE的长期观察研究在《天体物理学杂志增刊系列》（AstrophysicalJournalSupplementSeries）的这篇新文章中，OGLE天文学家介绍了对位于附近一个名为大麦哲伦云的星系中的近8000万颗恒星进行的长达近20年的光度监测结果，以及对引力微透镜事件的搜索。所分析的数据是在2001年至2020年OGLE项目的第三和第四阶段收集的。Udalski教授说："这组数据提供了现代天文学史上对大麦哲伦云中恒星进行的时间最长、规模最大、最精确的测光观测。"第二篇文章发表在《自然》杂志上，讨论了这一发现的天体物理学后果。Mróz博士说："如果银河系中的所有暗物质都是由10个太阳质量的黑洞组成，那么我们本应探测到258个微透镜事件。对于100个太阳质量的黑洞，我们预计会有99个微透镜事件。1000个太阳质量的黑洞--27个微透镜事件。"相比之下，OGLE天文学家只发现了13个微透镜事件。他们的详细分析表明，所有这些事件都可以用银河系或大麦哲伦云本身的已知恒星群来解释，而不是用黑洞来解释。Mróz博士说："这表明大质量黑洞最多只能构成暗物质的百分之几。"详细计算表明，10个太阳质量的黑洞可能最多占暗物质的1.2%，100个太阳质量的黑洞占暗物质的3.0%，1000个太阳质量的黑洞占暗物质的11%。Udalski教授说："我们的观测结果表明，原始黑洞不可能占暗物质的很大一部分，同时也能解释LIGO和室女座观测到的黑洞合并率。"因此，LIGO和室女座探测到的大质量黑洞需要其他解释。根据一种假设，它们是大质量、低金属度恒星演化的产物。另一种可能是，在球状星团等高密度恒星环境中，质量较小的天体发生了合并。Udalski教授补充说："我们的研究成果在未来几十年内都会出现在天文学教科书中。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1436151.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1436151.htm

科学家用活性物质理论解码三维细胞和组织力学

科学家用活性物质理论解码三维细胞和组织力学开源超级计算机算法可预测活体材料的形态和动态，并能研究它们在空间和时间上的行为。生物材料由单个部件组成，包括将燃料转化为运动的微小电机。这就产生了运动模式，材料通过不断消耗能量，以连贯的流动塑造自身。这种持续驱动的材料被称为"活性物质"。细胞和组织的力学可以用活性物质理论来描述，该理论是理解生命物质的形状、流动和形态的科学框架。活性物质理论由许多具有挑战性的数学方程组成。德累斯顿马克斯-普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所（MPI-CBG）、德累斯顿系统生物学中心（CSBD）和德累斯顿工业大学（TUDresden）的科学家们现已开发出一种算法，并在开源超级计算机代码中实施，首次可以在现实场景中求解活性物质理论方程。这些解决方案使我们离解开细胞和组织如何获得其形状这一世纪之谜以及设计人造生物机器又近了一大步。活性物质在类似分裂细胞几何形状中的三维模拟。资料来源：辛格等人，《流体物理学》（2023年）/MPI-CBG生物行为和理论的复杂性生物过程和行为通常非常复杂。物理理论为理解它们提供了一个精确的定量框架。活性物质理论为理解和描述活性物质的行为提供了一个框架，活性物质是由能够将化学燃料（"食物"）转化为机械力的单个成分组成的材料。德累斯顿的几位科学家在这一理论的发展过程中发挥了关键作用，其中包括马克斯-普朗克复杂系统物理研究所所长弗兰克-尤利歇尔（FrankJülicher）和马克斯-普朗克复杂系统物理研究所所长斯蒂芬-格里尔（StephanGrill）。有了这些物理学原理，就可以用数学方程来描述和预测活性生命物质的动力学。然而，这些方程极其复杂，难以求解。因此，科学家需要借助超级计算机的力量来理解和分析生命物质。预测活性物质行为的方法多种多样，有的侧重于微小的单个粒子，有的研究分子水平的活性物质，还有的研究大规模的活性流体。这些研究有助于科学家了解活性物质在不同空间尺度和时间范围内的行为。解决复杂的数学方程德累斯顿工业大学德累斯顿系统生物学中心（CSBD）教授、马克斯-普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所（MPI-CBG）研究组组长、德累斯顿工业大学计算机科学学院院长伊沃-斯巴尔扎里尼（IvoSbalzarini）研究小组的科学家们现在已经开发出一种计算机算法，可以求解活性物质的方程。他们的研究成果发表在《流体物理学》（PhysicsofFluids）杂志上，并登上了封面。他们提出的算法可以在三维空间和复杂形状的空间中求解活动物质的复杂方程。该研究的第一作者之一、数学家阿比纳夫-辛格（AbhinavSingh）说："我们的方法可以处理三维空间中随时间变化的不同形状。即使数据点不是规则分布的，我们的算法也采用了一种新颖的数值方法，可以无缝地处理复杂的生物现实场景，准确地求解理论方程。利用我们的方法，我们最终可以了解活性材料在移动和非移动情况下的长期行为，从而预测其动态。此外，该理论和模拟还可用于对生物材料进行编程，或在纳米尺度上制造发动机，以提取有用功"。另一位第一作者菲利普-苏尔克（PhilippSuhrcke）毕业于德累斯顿工业大学的计算建模与仿真理学硕士课程，他补充说："得益于我们的工作，科学家们现在可以预测组织的形状或生物材料何时会变得不稳定或失调等，这对理解生长和疾病的机理具有深远影响。"人人可用的强大代码科学家们使用开源库OpenFPM实现了他们的软件，这意味着其他人可以免费使用。OpenFPM由Sbalzarini小组开发，旨在实现大规模科学计算的民主化。作者首先开发了一种自定义计算机语言，允许计算科学家通过用数学符号指定方程，让计算机来创建正确的程序代码，从而编写超级计算机代码。因此，他们不必在每次编写代码时都从头开始，从而有效地将科学研究中的代码开发时间从数月或数年缩短到数天或数周，极大地提高了工作效率。由于研究三维活性材料的计算需求巨大，新代码可以在共享和分布式内存多处理器并行超级计算机上扩展，这要归功于OpenFPM的使用。虽然该应用程序是为在功能强大的超级计算机上运行而设计的，但它也可以在研究二维材料的普通办公计算机上运行。这项研究的首席研究员伊沃-斯巴尔扎里尼（IvoSbalzarini）总结道："我们经过十年的研究，终于创建了这个模拟框架，并提高了计算科学的生产力。现在，这一切都汇聚到一个工具中，用于了解生命材料的三维行为。我们的代码具有开源性、可扩展性和处理复杂情况的能力，为活性材料建模开辟了新的途径。这可能最终会让我们了解细胞和组织是如何形成的，从而解决困惑科学家几个世纪的形态发生这一根本问题。但它也可能帮助我们设计出元件数量最少的人造生物机器。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1399609.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1399609.htm