粘性恒星能像黑洞一样反射引力波

https://www.dprenvip.com/wp-content/uploads/2025/10/large-13.png黑洞与中子星合并产生的引力波探测，为强引力场领域打开了一扇窗，使物理学家能够对各种引力理论施加限制。这些观测还有助于探究这类致密天体与撞击其边界的引力波，或对于中子星而言，穿过其内部的引力波的相互作用方式。葡萄牙里斯本大学的瓦伦丁·博亚诺夫及其同事，如今详细研究了这种相互作用，分析了物体对穿过的引力波的响应，如何受其粘性的影响。他们的成果，或许能让研究人员从未来的引力波测量中，提取有关中子星内部结构的信息。

博亚诺夫及其同事探讨了以下问题：在何种条件下，像中子星这样的粘性致密物体会反射或吸收引力波？这些相互作用在多大程度上与黑洞的相互作用类似？起初，似乎黑洞尤其不会反射——毕竟其定义特征是吸收所有落入其中的物质。但实际上，黑洞吸收还是反射引力波，取决于这些波的频率。高频引力波穿过事件视界并被吸收，增加黑洞的质量和角动量。另一方面，对于低频波，黑洞周围弯曲的时空构成了波传播的势垒：波被“反射”，即它们从该区域散射，相位或传播方向发生改变。

对于中子星，情况有所不同。中子星有内部，引力波可以穿透并在其中激发振荡模式。这些振荡涉及中子星质量分布的动态重排，这本身也会产生引力波。因此，与引力波相互作用相关的这些天体的关键属性，是它们的剪切粘性。在由理想（零粘性）流体组成的中子星中，由引力波激发的振荡模式不会衰减，这意味着不会吸收任何引力波能量。结果，零粘性中子星应对所有频率的引力波具有高反射性。但尽管某些中子星内部被认为存在具有这种特性的超流体，大多数中子星应包含具有有限粘性的流体。问题就变成：这种粘性如何影响中子星与引力波的相互作用方式？

当中子星流体内部的粘性增加时，该星从传入的引力波中吸收更多能量，并将其耗散为内部热量。特别是，高频模式的衰减最强，导致中子星在高引力波频率下的反射性降低。这种频率 – 反射率关系开始与对黑洞预测的关系相似。但这种相似性有多深呢？黑洞的事件视界严格来说是单向屏障，禁止任何穿过它的引力波重新发射。相比之下，即使是粘性很强的中子星，在一定程度上也会维持内部振荡模式，使传入的引力波发生散射。由于中子星的粘性不能高到违反因果律——剪切扰动的传播速度不能超过光速——人们可能预期，中子星对高频引力波的反射性，一定比黑洞显著更高。

十年来，人们一直在研究物体在与引力波相互作用方面，能在多大程度上模拟黑洞，因为这与天体物理可观测量的测量有关。到目前为止，这类黑洞模拟物的候选对象，由奇异物质场构成，或需要微妙的量子引力效应，而这两者在理论上都没有得到充分支持。这正是博亚诺夫及其同事填补的空白。他们的研究表明，中子星确实可以模拟黑洞，在低引力波频率下表现出高反射性，在高频率下表现出低反射性。要实现这一点，该星的粘性只能存在于一个受限的参数空间内：其剪切粘性——当按该星半径、压力和密度的适当幂次缩放时——必须小于3/4，并且流体内部扰动的有效速度必须小于光速。令人欣慰的是，这两个条件都在因果律约束允许的范围内。

更令人兴奋的是，博亚诺夫及其同事还分析了，当选择粘性大于3/4从而违反因果律界限时会发生什么。在这种情况下，中子星内部的扰动传播速度超过光速。该星的反射性实际上会比黑洞大得多，这意味着该星充当了引力波的波导；也就是说，它可以无衰减地传输所有频率的引力波。如果假设粘性更大，那么低频下的反射率会大于1，这意味着入射到该星的引力波可以被放大。这种引力波放大依赖于从该星旋转中提取能量。这种提取可能会产生级联效应，导致反射的引力波振幅非常大——这一现象被称为超辐射不稳定性。

回到这项工作的观测意义上，粘性的存在，有可能通过未来的引力波探测器观测到。在两颗恒星晚期相互靠近时，粘性会改变恒星的动态潮汐可变形性。它还会引入耗散效应，使恒星升温。潮汐可变形性的变化和加热效应，都可能显著影响发射的引力波波形。此外，人们希望在合并最后时刻捕捉到的这些粘性恒星的特征频率，将携带快速振荡模式的特征。最后还应注意，任何围绕致密天体的吸积盘，也是由粘性流体构成，因此自身也会吸收引力波。引力波能量的耗散，应会导致吸积盘电磁辐射的增强，这也可能被探测到。

博亚诺夫及其同事在线性区域进行了分析，因为线性相对论流体动力学，比非线性相对论流体动力学更容易处理。然而，如果他们在非线性区域工作，可能会推导出关于粘性参数的修正因果律界限，并得到不同的结果。对引力和粘性流体进行这样的非线性分析，是一项极具挑战性的任务，但对于全面理解粘性在恒星和引力波天体物理学中的作用，这是必要的。无论应对这一挑战的结果如何，很明显，在引力波天体物理学的这个初期阶段，前方还有许多惊喜，特别是关于引力波与物质的相互作用。