從引力波看相似天體對(duì)的存在

馬克·布坎南+晨飛

近期檢測(cè)到的一對(duì)正在合并的黑洞發(fā)出的引力波，暗示可能存在大量相似的天體對(duì)，這些天體對(duì)應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生微弱到無法用當(dāng)前技術(shù)手段檢測(cè)到的引力波背景。根據(jù)這一信息，研究人員估計(jì)，這一背景的強(qiáng)度可能是之前預(yù)期的10倍，有望在幾年之內(nèi)被靈敏的儀器探測(cè)到。這些背景信號(hào)可以幫助天體物理學(xué)家更好地理解黑洞雙體是如何形成的，同時(shí)為檢測(cè)大爆炸之后不久膨脹宇宙所釋放的引力波奠定基礎(chǔ)。

2015年9月14日，LIGO歷史上第一次檢測(cè)到引力波。通過將激光在相隔4千米的兩個(gè)鏡面之間反射，研究團(tuán)隊(duì)在引力波通過的時(shí)候檢測(cè)到了鏡面之間距離的微小波動(dòng)。該引力波由編號(hào)為GW150914的天文事件觸發(fā)，涉及兩個(gè)質(zhì)量分別為29倍和36倍太陽質(zhì)量的黑洞的合并。

研究人員認(rèn)為，宇宙中存在許多相似的黑洞以及中子星，它們處在不斷的合并中，產(chǎn)生從各個(gè)方向到達(dá)地球的引力波。這些引力波會(huì)在檢測(cè)器上產(chǎn)生微弱的爆破聲。在沒有真正發(fā)現(xiàn)天體對(duì)之前，科學(xué)家需要通過假設(shè)宇宙中此類天體對(duì)的數(shù)量以及它們的質(zhì)量分布來估計(jì)該背景的強(qiáng)度。

明尼蘇達(dá)州卡爾頓學(xué)院和LIGO科學(xué)合作組織的尼爾森·克里斯滕森說：“近期的觀測(cè)結(jié)果帶來的變化，是我們目前已知宇宙中確實(shí)有一定數(shù)目的黑洞雙體。有關(guān)這一點(diǎn)我們獲得了少許信息。”

這個(gè)新的分析由LIGO科學(xué)合作組織和歐洲VIRGO科學(xué)合作組織共同完成，估算了頻率在100赫茲以下的引力波背景的能量密度（100赫茲以下頻率是LIGO最敏感的波段）。為了進(jìn)行該項(xiàng)估算，研究人員假定了一定數(shù)量的黑洞雙體（這些黑洞具有不同的體積、與地球的不同距離，而且創(chuàng)造了不同的事件情境），并計(jì)算了這些黑洞合并造成的引力輻射的強(qiáng)度。

研究團(tuán)隊(duì)利用GW150914事件的細(xì)節(jié)來優(yōu)化估算結(jié)果，對(duì)宇宙中黑洞雙體的真實(shí)分布做出可能性最高的估計(jì)。他們認(rèn)為，目前檢測(cè)到的合并最可能是整個(gè)群體中具有代表性的、但并非極度罕見的事件。如果黑洞雙體的群體分布呈高斯曲線，該事件會(huì)處在主要凸起對(duì)應(yīng)的位置，而非曲線的尾端。GW150914事件中觀測(cè)到的黑洞質(zhì)量表明，黑洞雙體的主要群體的大小比預(yù)期值高出大約20倍，會(huì)產(chǎn)生比之前的估計(jì)高出大約10倍的背景輻射。不過，克里斯滕森強(qiáng)調(diào)，該估算結(jié)果仍具有很多不確定性，而且它僅僅基于一個(gè)事件。

西弗吉尼亞大學(xué)摩根敦校區(qū)的天體物理學(xué)家莫拉·麥克勞林說：“在我看來，該估算結(jié)果是非常可信的。”她是北美納赫茲天文臺(tái)引力波項(xiàng)目合作組織的一名成員，該組織致力檢測(cè)比LIGO能夠檢測(cè)到的信號(hào)頻率低得多的引力波。“只要他們的參數(shù)里有任何漏洞，我都能看得出來。除非LIGO能檢測(cè)到這個(gè)信號(hào)真的是太走運(yùn)了，否則宇宙中這些系統(tǒng)的數(shù)量比我們先前設(shè)想的要多很多。”

麥克勞林認(rèn)為，LIGO和VIRGO檢測(cè)器的靈敏度已經(jīng)足以檢測(cè)到這個(gè)水平的引力背景，科學(xué)家能夠在未來2年至5年內(nèi)看到它。克里斯滕森說，這比物理學(xué)家先前預(yù)期的要快很多，而這一點(diǎn)使人們產(chǎn)生了很多期待。他說：“每個(gè)人都超級(jí)興奮。”

檢測(cè)到該背景能夠使在整個(gè)宇宙中傳遞能量的引力波的存在得到確認(rèn)。研究人員還表示，該研究同樣能為進(jìn)一步理解黑洞究竟是怎樣形成的提供有用信息。如果將這一背景減去，或許有一天我們能夠檢測(cè)到來自大爆炸初期宇宙膨脹所產(chǎn)生的更微弱的引力波。