科学探索|天体物理学家发现10个新的引力波天体物理学家发现10个新的引力

在过去的七年里，LIGO-Virgo Collaboration（简称LVC）的科学家们已经探测到了90个引力波信号。引力波是时空结构中的扰动，它从双体黑洞(BBH)合并等灾难性事件中向外奔跑。在最近一次实验运行的前半段的观测中，该合作组织报告了来自44个BBH事件的信号，该实验在2019年持续了6个月。

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但异常值隐藏在数据中。为了扩大搜索范围，一个国际天体物理学家小组重新审查了数据，结果发现了10个额外的黑洞合并，它们都在LVC最初分析的检测阈值之外。这些新合并暗示了奇异的天体物理情景，目前只有使用引力波天文学才能研究这些情景。
领导这项新分析、来自普林斯顿大学博士候选人的物理学家Seth Olsen表示：“通过引力波，我们现在开始观察在过去几十亿年里合并的各种各样的黑洞。”他指出，每一次观测都有助于了解黑洞是如何形成和演变，而识别它们的关键是找到有效的方法将信号与噪音分开。
Olsen将于4月11日在2022年美国物理学会四月会议的一个会议上介绍了其小组是如何发现这些合并的。另外他还将在美东部时间4月11日上午10点的在线新闻发布会上回答媒体的问题。
值得注意的是，观测结果包括来自高质量和低质量黑洞的现象并填补了黑洞质量谱系中预测的空白，在那里很少有来源被检测到。大多数核物理模型表明，恒星不可能坍缩成质量约为太阳质量50至150倍的黑洞。“当我们在这个质量范围内发现一个黑洞时，它告诉我们这个系统是如何形成的还有更多的故事。因为很有可能一个上层质量差距的黑洞是以前合并的产物，”Olsen说道。
【科学探索|天体物理学家发现10个新的引力波】另外，核物理学模型也表明，质量比太阳一倍的恒星会成为中子星而非黑洞，但几乎所有观测到的黑洞的质量是太阳的5倍多。对低质量合并的观测可以帮助弥补中子星和最轻的已知黑洞之间的差距。Olsen表示，对于上部和下部的质量差距已经检测到了少量的黑洞，但新发现表明，这些类型的系统比我们想象的更加普遍。
新发现还包括一个科学家以前从未见过的系统。一个朝一个方向旋转的重黑洞，其吞噬了一个朝相反方向运行的更小的黑洞。“较重的黑洞的自旋并不完全跟轨道反方向对齐，而是在侧向和颠倒之间倾斜，这告诉我们，这个系统可能来自BBH合并的一个有趣的亚群，其中BBH轨道和黑洞自旋的角度都是随机的，”Olsen说道。
识别像黑洞合并这样的事件需要一种策略，能从观测数据的背景噪音中区分出有意义的信号。这跟能够分析音乐--即使是在嘈杂的公共场所播放的音乐--并识别正在播放的歌曲的智能手机应用没有什么不同。正如这种应用将音乐跟模板数据库或已知歌曲的频率信号进行比较一样，寻找引力波的程序则将观测数据跟已知事件目录如黑洞合并进行比较。
为了找到这10个额外的事件，Olsen和他的合作者使用“IAS管道”对LVC数据进行了分析。IAS管道在两个重要方面跟LVC使用的管道不同。首先，它采用了先进的数据分析和数值技术来改进LVC管道的信号处理和计算效率；第二，它使用了一种统计方法，牺牲了对LVC方法最可能发现的源的一些敏感性以获得对LVC方法最可能错过的源的敏感性如快速旋转的黑洞。
在此之前，Zaldarriaga和他的团队已经使用IAS管道分析了LVC早期运行的数据，并同样发现了在第一次运行分析中被遗漏的黑洞合并。Olsen表示，模拟整个宇宙在计算上是不可行的，甚至模拟黑洞可能形成的各种惊人的方式也不可行。但他指出，像IAS管道这样的工具可以为未来更精确的模型奠定基础。