從引力波看相似天體對的存在

馬克·布坎南+晨飛

近期檢測到的一對正在合并的黑洞發出的引力波，暗示可能存在大量相似的天體對，這些天體對應該會產生微弱到無法用當前技術手段檢測到的引力波背景。根據這一信息，研究人員估計，這一背景的強度可能是之前預期的10倍，有望在幾年之內被靈敏的儀器探測到。這些背景信號可以幫助天體物理學家更好地理解黑洞雙體是如何形成的，同時為檢測大爆炸之后不久膨脹宇宙所釋放的引力波奠定基礎。

2015年9月14日，LIGO歷史上第一次檢測到引力波。通過將激光在相隔4千米的兩個鏡面之間反射，研究團隊在引力波通過的時候檢測到了鏡面之間距離的微小波動。該引力波由編號為GW150914的天文事件觸發，涉及兩個質量分別為29倍和36倍太陽質量的黑洞的合并。

研究人員認為，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，產生從各個方向到達地球的引力波。這些引力波會在檢測器上產生微弱的爆破聲。在沒有真正發現天體對之前，科學家需要通過假設宇宙中此類天體對的數量以及它們的質量分布來估計該背景的強度。

明尼蘇達州卡爾頓學院和LIGO科學合作組織的尼爾森·克里斯滕森說：“近期的觀測結果帶來的變化，是我們目前已知宇宙中確實有一定數目的黑洞雙體。有關這一點我們獲得了少許信息。”

這個新的分析由LIGO科學合作組織和歐洲VIRGO科學合作組織共同完成，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）。為了進行該項估算，研究人員假定了一定數量的黑洞雙體（這些黑洞具有不同的體積、與地球的不同距離，而且創造了不同的事件情境），并計算了這些黑洞合并造成的引力輻射的強度。

研究團隊利用GW150914事件的細節來優化估算結果，對宇宙中黑洞雙體的真實分布做出可能性最高的估計。他們認為，目前檢測到的合并最可能是整個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，該事件會處在主要凸起對應的位置，而非曲線的尾端。GW150914事件中觀測到的黑洞質量表明，黑洞雙體的主要群體的大小比預期值高出大約20倍，會產生比之前的估計高出大約10倍的背景輻射。不過，克里斯滕森強調，該估算結果仍具有很多不確定性，而且它僅僅基于一個事件。

西弗吉尼亞大學摩根敦校區的天體物理學家莫拉·麥克勞林說：“在我看來，該估算結果是非常可信的。”她是北美納赫茲天文臺引力波項目合作組織的一名成員，該組織致力檢測比LIGO能夠檢測到的信號頻率低得多的引力波。“只要他們的參數里有任何漏洞，我都能看得出來。除非LIGO能檢測到這個信號真的是太走運了，否則宇宙中這些系統的數量比我們先前設想的要多很多。”

麥克勞林認為，LIGO和VIRGO檢測器的靈敏度已經足以檢測到這個水平的引力背景，科學家能夠在未來2年至5年內看到它。克里斯滕森說，這比物理學家先前預期的要快很多，而這一點使人們產生了很多期待。他說：“每個人都超級興奮。”

檢測到該背景能夠使在整個宇宙中傳遞能量的引力波的存在得到確認。研究人員還表示，該研究同樣能為進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到來自大爆炸初期宇宙膨脹所產生的更微弱的引力波。