用引力波探测黑洞合并:看到比以前更深的宇宙空间

mehu

利用引力波探测黑洞合并已成为天文学研究领域的一个新方向。此前，天文学家观测宇宙只有一种方式，即利用电磁频谱。引力波可以帮助我们追溯到更古老的宇宙，看到比以前更深的宇宙空间。第一代引力波探测器堪称最精密、最灵敏的监测设备，可以探测到空间运动。现在，科学家们则可以通过更为先进、灵活的探测技术，用现有引力波探测器监测黑洞合并。

　　

我们无法肉眼看到黑洞，那么我们该如何判断我们的理论是否正确呢？天体物理学家则希望通过监测黑洞碰撞来获取相关信息。最初，我们希望利用一个黑洞来测量另一个黑洞。当然，我们现在都知道，黑洞之所以被称为黑洞，就因为它不会发出任何形式的光。因此，科学家现在已经转变了思路，不再去直接搜寻它们，而是改去监听黑洞碰撞过程中释放出的引力波。

　　

虽然科学家已可以清晰地探测到一次黑洞合并，但每一次合并的具体细节则完全不同，这些细节则隐藏于背景探测器噪音中。也就是说，所有的黑洞合并看起来都很相似。唯一的变数就是正在合并的黑洞的质量。

　　

在如此条件下，研究人员有两种选择。选项之一就是，等待更为先进的探测器；第二选项则是利用更为灵活的方式来组合不同黑洞合并的信号。当然，有的人则是一直在抱怨，苦苦等待长达20年，这其中包括一些天体物理学家。更多的人则开始着手研究如何组合来自不同黑洞合并的信号，来解决探测器噪音问题，从而将隐藏于其中的合并细节呈现出来。

　　

当两个黑洞开始死亡螺旋时，它们会释放出引力波，最开始振幅和频率都非常低。随着两个黑洞逐渐靠近，这种振幅和频率都在快速升高。接下来，到了合并点，这种信号急剧衰退。在黑洞合并事件发生的临界点，引力波释放，就好像开场铃声响起。这个铃声有一个主调，也包括许多泛音。在一次黑洞合并事件中，泛音要比主调弱得多，而且更加难以探测。因此，在组合信号时，不能将泛音错误地组合进去。如果这样做，就相当于在提高信号强度的同时，也毁了这组信号。

　　

为了解决信号组合问题，科学家需要每一声调的相位。要想知道这个相位，就必须进行测量。但是，探测器的敏感度不够，难以测量这种相位。当然，如果探测器足够敏感的话，也就不必要组合这种信号了。研究人员通过建模，模拟了黑洞合并信号，并向其中添加了由激光干涉引力波观测站预测的设备噪音数据。然后，他们利用这种信号去估测每一次合并的主调和第一个泛音的相位和频率。这些信号再被用来进行匹配。

　　

有人质疑，这种方法可行吗？科学认为，答案是肯定的。根据人工数据集，研究人员估测，激光干涉引力波观测站有28%的概率探测到黑洞合并铃声的首个泛音。但在采用上述方法后，这一概率提高到97%。当然，这样的结果也只能作为一种参考，因为研究人员测算的前提是假设一年中可以观测到多少次黑洞合并。虽然，目前这种观测到的黑洞合并机率很小，但上述方法仍不失为一种较为先进的方法，或许最终可以增强信号并剔出泛音。

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