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探测黑洞并合产生的背景引力波

2018年03月07日 天文物理 ⁄ 共 1583字 ⁄ 字号 暂无评论

这类背景引力波信号比过去估算得强,LIGO和VIRGO等探测器有望在数年内探测到它们。


探测黑洞并合产生的背景引力波

捕捉引力波:利文斯顿LIGO激光干涉仪由两个4千米长的臂组成,两束激光分别在两臂之间来回反射。引力波会使激光干涉仪两臂长度发生细微变化,这可以通过激光的干涉效应探测到。图片来源:Caltech/MIT/LIGO Lab


最近,科学家探测到了两个黑洞并合所释放的引力波。这意味着宇宙中还存在很多这种并合事件,只不过它们所产生的背景引力波强度太弱,在现有技术条件下探测不到。基于这一信息,研究者推测背景波的强度大约要比之前预计的强10倍,而且它们有望在几年内被更灵敏的仪器探测到。捕捉背景波信号有助于天体物理学家更好地理解双黑洞的形成过程,同时也为探测大爆炸不久后宇宙暴胀所释放的引力波铺平道路。


2015年9月4号,激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到了引力波,这也是人类首次探测到引力波。LIGO团队让激光在间距4千米的两个平面镜间来回反射,据此探测引力波经过时平面镜间距的轻微波动。这一引力波事件被称为GW150914,它是由两个质量分别为太阳质量29倍和36倍的黑洞并合所引发的。


研究者预计宇宙中有很多双黑洞与双中子星在不断的发生并合,这种并合事件产生的引力波从各个方向辐射到地球,这对探测器而言是一种微弱的背景噪音。之前,科学家要估算这种背景噪音的强度,就得对这些双黑洞与双中子星的数量与质量分布做出假设。这些假设过去一直是猜测性的,因为那时研究者还没有发现此类双天体并合。


LIGO团队成员、明尼苏达州卡尔顿学院的纳尔逊·克里斯坦森(Nelson Christensen)说:“最近的引力波观测表明,宇宙中确实存在很多双黑洞,而我们对此仍知之甚少。”


在LIGO团队与欧洲的Virgo团队的共同协作下,科学家估计背景引力波能量密度的频率范围在100Hz以下,而LIGO的恰好对此范围的频率很敏感。为了估算背景引力波强度,科学家假设有很多不同大小的双黑洞存在,它们与地球的距离也各不相同,并据此创建了各种模型。然后,他们计算了双黑洞并合时所辐射引力波能量的大小。


基于对GW150914事件细节的分析,LIGO团队对之前的估计做了调整——尤其是并合黑洞的质量——以对双黑洞的实际分布做出最可靠的猜测。研究者认为,此次观测到的双黑洞并合事件很有可能具有普遍性,而不是极端个例。如果双黑洞的性质呈高斯分布,那么GW150914事件应该位于钟型曲线的凸起而不是边缘部分。GW150914事件意味着绝大多数双黑洞的质量应该是之前预期的20倍左右,这种质量的双黑洞所产生的背景波强度也应该是之前预期的10倍左右。但是,克里斯坦森强调说结果还有很多不确定性,因为这毕竟只是基于一次并合事件所做的推测。


“我觉得这些推测是很合理的,”美国西维吉尼亚大学的天体物理学家莫拉·麦克劳克林(Maura McLaughlin)说。麦克劳克林也是北美纳赫兹天文台引力波项目(NANOGRAV)团队的成员。NANOGRAV试图探测比LIGO频率范围更低的引力波。“我看不出他们的论证有什么不足之处。除非LIGO非常幸运,否则一定还有比之前预计的多得多的双黑洞系统。”


如果背景引力波的强度是这个量级,那么以LIGO和Virgo的灵敏度,2~5年内就可以探测到它们。这要比物理学家之前预期的快,克里斯坦森说,这很让人期待。“每个人都超级兴奋,”他说。


探测到背景引力波就可以证明宇宙中充斥着携带着能量的引力波。研究者认为,这也有助于人们更进一步了解黑洞的形成过程。在扣除这种背景波噪音之后,人们或许还有可能探测到大爆炸不久后宇宙暴胀时期的引力波,这种引力波强度更微弱。


撰文:马克·布坎南(Mark Buchanan)

翻译:孙振标

审校:韩晶晶


原文链接:http://physics.aps.org/articles/v9/33


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