由清华大学和圆周理论物理研究所团队领导的一项研究，揭示了黑洞是如何产生类似流体的湍流现象。这项研究通过引入一项全新的数值相对论技术，能够持续且自洽的“控制”引力波射向黑洞并观察其响应。这也使得我们能够更深入的理解广义相对论在极端环境下的奇异非线性特性。
湍流是流体中很常见的一种现象。小到实验室烧杯中被搅拌的试剂，大到大洋中的飓风，都能找到它的身影。湍流的本质是通过流体内的非线性作用，实现能量或其他作用量沿着更大或者更小尺度的传播。
那么黑洞为什么也会有湍流现象？这其实反映了物理学中不少出现的一种有趣的“等价性”现象，即看上去完全不相干的系统会呈现非常相似的一些基本性质。例如在一个简单的谐振子模型既可以描述连接着弹簧的质点，也可描述一个电容电感电路。再比如在凝聚态系统中描述相变的临界理论，很大程度上也可以适用于一些引力塌缩系统。往往这些简单或复杂的对应关系，一旦被揭示出来，将极大深化人们对相应系统的理解，并可能孕育新的发现机遇。
在2015年的一项工作中(https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.081101)，本研究的部分作者已经发现黑洞存在流体中类似的参数不稳定性，而后者常在流体的湍流现象中发挥重要作用。但受限于当时的理论和数值技术的发展，并未能通过完整的数值相对论模拟来发现黑洞的湍流现象。尤其值得注意的是，如果想更好的观察湍流现象，通常需要一个外界的能量的注入源来维持一段时间，而这对于黑洞系统也是一个长期的技术难题。
研究团队在本工作中，创新的发展数值相对论模拟的边界处理方法，使得长时间稳定的向黑洞入射引力波，并高精度刻画黑洞时空演化成为可能。团队发现当注入引力波的振幅较小时，黑洞的响应呈现出类似流体的“层流”现象，即不同波长的演化泾渭分明。当入射引力波振幅超过某些临界值时，包括类参数不稳定性等非线性不稳定性被激发，而时空的激发明显呈现出向更长波长传播的趋势。这一点和二位流体的行为有着惊人的相似性。后续有了这一有利的数值试验平台，黑洞湍流现象将有望得到更加定量和精确的刻画。
图一：黑洞的激发随着时间增长（横轴）往更长的波长或更低的频率移动（横轴）。
这项题为《非线性引力中的湍流》的研究发表在《物理评论快报》上。这项研究的第一作者为圆周理论物理研究所的马司政博士后，通讯作者为清华大学天文系的杨桓教授，并与加州理工、康奈尔大学、马克斯·普朗克研究所等机构的合作者合作完成。
文章链接: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/c9m4-mj3t
