这一现象被称为“引力重联”，与导致太阳一些最剧烈爆发的过程有着出人意料的相似之处。研究人员认为，这种联系可以为理解引力在极端条件下（包括黑洞碰撞期间）的行为提供新的见解。
这一发现来自哥伦比亚大学天文学系和物理学系以及哥伦比亚天体物理实验室的副研究科学家卢卡·科米索（Luca Comisso）和智利阿道夫·伊巴涅斯大学（Universidad Adolfo Ibáñez）的费利佩·A·阿森霍（Felipe A. Asenjo）。通过从不同的数学视角审视爱因斯坦方程，他们发现了引力与被称为等离子体的带电气体行为之间的显著相似性。
他们的方法可以帮助科学家揭示支配引力场行为的基本规则。这类见解在引力严重扭曲时空的区域尤其有价值，在这些区域，即使是最强大的计算机模拟也难以解读。
引力如何表现得像太阳耀斑
理解这一发现的关键在于一个众所周知的 phenomenon——磁重联。磁场通常用弯曲的线条来表示，例如磁铁周围铁屑形成的图案，或从太阳表面向外延伸的巨大磁环。
在由带电粒子组成的等离子体中，这些磁场线可以被拉动、扭曲和拉伸。在某些条件下，它们会突然改变连接方式，将储存的磁能释放给周围的粒子。这一过程为太阳耀斑提供能量，是整个宇宙中最重要的能量释放机制之一。
“磁重联是指这些场线在某种特定构型下断裂，并以不同的构型重新连接，”科米索说。“当它们断裂并重联时，就会释放能量。”
由此产生的能量转移可以产生极其剧烈的事件。正如科米索所解释的：“它从磁场中获取能量，并将其交给等离子体中的粒子，从而产生爆炸和高能事件。”
研究人员发现，引力场可能经历类似的转变。然而，引力在爱因斯坦的四维时空中运作，该时空包括三个空间维度和一个时间维度。这使其底层数学结构与普通磁场不同。
引力重联与时空结构
“由于时空是四维而不是三维的，引力涉及的是类似场‘片’的东西，而不是场线，”科米索解释道。“给一条线增加一个维度，你就得到了一个平面。你可以把它想象成把许多线放在一起形成一个‘片’。”
在这个数学描述中，引力由片而不是单根场线来表示。正如磁场线可以改变连接并释放能量一样，这些引力片在适当的条件下也可以重新排列它们的连接。
重要的是，这些片是数学表示，而不是字面意义上被撕裂的物理表面。它们的重联描述了引力场将能量传递给物质的一种方式。
研究人员通过探索爱因斯坦方程在其通常数学形式中不明显的性质得出了这一结果。他们的工作建立在早期一项研究的基础上，该研究揭示了此前未被认识到的关于时空如何弯曲、拉伸和随时间变化的限制。
爱因斯坦方程中隐藏的规则
这项题为“引力场的重联”的新研究发表在美国物理学会期刊《物理评论D》（Physical Review D）上。它扩展了科米索、阿森霍和玛丽卡门·A·温克勒（Maricarmen A. Winkler）此前发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的一项研究的发现。
那项早期工作确定了决定时空几何哪些变化是可能的数学约束。尽管这些限制内置于爱因斯坦的理论之中，但此前并未以这种形式被认识到。
“爱因斯坦方程包含关于时空如何演化的约束，而这些约束并不显而易见，”阿森霍说。“通过揭示这些隐藏的新性质，我们可以开始理解支配这种引力重联过程行为的基本规则。”
在最新的研究中，科米索和阿森霍研究了当通常维持引力场结构内部连接的理想条件不再成立时会发生什么。他们发现这些连接可以发生改变，产生他们称之为引力重联的现象。
“有些含义隐藏在方程中，仅通过观察并不容易捕捉到，”科米索说。“你需要用不同的方式重写它们，然后才能利用这种行为。”
为什么等离子体物理为引力提供新线索
这一突破依赖于物理学家近年来发展的爱因斯坦方程的一种不同的数学表述。尽管这种表述使用不同的变量，但它在数学上与原始方程等价，描述的是相同的底层物理学。
使其特别有用的是它与研究等离子体所用方程的相似性。这些带电气体构成了太阳，被用于核聚变实验，并占据恒星之间的大部分空间。
科米索将他的职业生涯致力于理解等离子体行为。当他及其同事认识到等离子体物理与引力之间的数学相似性时，他们意识到为研究磁场而开发的方法也可以揭示引力场此前被忽视的性质。
这种方法使物理学家能够在不必求解爱因斯坦方程每个部分的情况下，识别支配时空的模式和限制。
“它帮助我们预测时空的一些模式，”科米索说。“即使不做完整的计算，我们也知道时空需要以某种方式表现，需要满足那些约束。”
研究人员无需完全依赖复杂的数值计算，而是可以利用这些底层规则来确定哪些行为在物理上是可能的。这可以为那些极难建模的引力事件提供一个有价值的新视角。
引力重联对黑洞意味着什么
最有前景的应用之一涉及黑洞碰撞。当两个黑洞靠近并合并时，它们巨大的引力场会在时空中产生极端的扭曲。
为了理解这些事件，天体物理学家通常依赖大规模的超算模拟。研究人员设定初始条件，计算系统如何随时间变化，并考察由此产生的行为。
这些模拟帮助科学家预测合并黑洞产生的引力波。引力波是时空的涟漪，可以被激光干涉引力波天文台（LIGO）等仪器探测到，该天文台旨在测量强大宇宙事件产生的极其微小的扭曲。
新识别的支配引力场的规则可以通过揭示原本难以识别的模式来补充这些模拟。它们还可能帮助研究人员更好地理解在宇宙中一些最极端的引力相互作用期间能量是如何转移的。
目前，引力重联仍然是一项理论发现。科学家尚未确定这一过程在实际天体物理环境中如何运作，或者其效应是否可以被观测到。
下一步是在特定情况下（特别是黑洞合并时）研究引力重联。科米索希望这项研究最终能够估算此类事件释放的能量，并确定引力重联是否会在引力波信号中产生可识别的特征。
如果这些预测能够被发展并检验，该方法可能为研究极端条件下引力的行为提供一种强大的新途径，揭示爱因斯坦百年方程中隐藏的更多物理学。
该研究得到了美国国家科学基金会（NSF）和美国国家航空航天局（NASA）的支持。