引力波是由大质量物体的加速或扰动产生的携带能量的波。这些波于2015年首次被直接观测到，已知在各种宇宙现象中都会产生，包括相互环绕运行的两个黑洞（即双黑洞）之间的合并。
研究引力波可以为引力提供有价值的见解，引力是爱因斯坦广义相对论所描述的基本力。广义相对论将引力描述为质量和能量引起的时空弯曲。
过去的研究表明，当引力效应特别显著时（即在与双黑洞合并相关的强场区域），引力会变得非线性。进一步阐明这些非线性动力学有助于检验和改进现有的引力理论。
加州理工学院的研究人员进行了新的模拟，他们使用麦克斯韦方程组（通常用于研究电磁学的方程组）而不是传统的广义相对论方程来描述引力。
他们发表在《物理评论快报》上的论文提出了一种有前景的新方法，用于研究双黑洞合并及其他时空碰撞的引力动力学。
“我们的研究受到两方面的启发，”该论文的资深作者埃利亚斯·R·莫斯特告诉《物理组织》网站。
“在预测合并的致密天体（如中子星和黑洞）产生的射电瞬变方面，我们对黑洞周围的常规电场和磁场做了大量工作，模拟了它们的动力学，并对它们的行为有了很好的理解。
“与此同时，引力一直有些神秘，至少以其常见形式来说，缺乏像磁场那样易于可视化的能力。”

莫斯特及其同事最近的工作基于这样一种观点，即引力也可以用类似于物理学理论描述电场和磁场的方式来表达。
因此，研究人员着手使用描述电磁学的方程，即所谓的麦克斯韦方程组，来理解强场区域的引力动力学。他们希望达到与早期专注于射电发射研究相同的理解水平。
“我们运行的模拟基于一种常见的方法，在计算机上可视化爱因斯坦的广义相对论方程，”莫斯特解释说。
“这些模拟本质上具有挑战性，是过去50年来科学界逐步发展起来的。我们带来的主要创新之处在于，能够以类似于电动力学的方式完全重新解释这些模拟。也就是说，我们使用推导出来的表达式，重新解释模拟结果。”
利用他们提出的方法，研究人员能够根据现有的模拟数据计算与引力相关的电场和磁场。有趣的是，他们的模拟表明，广义相对论理论实际上可以用描述电磁学的方程来研究。
“我们的工作已经教会我们如何重新解释粒子轨迹和弯曲空间，”莫斯特说。“它也极大地有助于阐明非线性的起始（强引力占主导的地方）。”
未来，莫斯特及其同事最近的这项研究可能为旨在测试广义相对论特定方面或非线性引力动力学的研究开辟新的可能性。在接下来的研究中，研究人员计划基于他们的模拟，探索引力波类似湍流的方面。
“本质上，引力波与普通光束不同，”莫斯特解释说。
“当它们相互穿过时（在某些条件下）会相互作用。这种相互作用可能类似于大气中的湍流，但很难用数学方式描述。另一方面，对于电磁学的某些领域来说，这是一种众所周知且经过研究的现象。
“使用上述方法，我们能够表明，支撑常规磁场湍流的相同数学公式也适用于引力波，这是一个非常重要的见解。在接下来的几个月里，我们计划进一步研究引力波的非线性。”