科学家翻转引力波数据分析：LIGO和室女座探测到暗物质恒星合并了吗？

熊明青

科学家翻转引力波数据分析：LIGO和室女座探测到暗物质恒星合并了吗？

（）据加利西亚高能物理研究所：引力波是时空结构中的波纹，以光速传播。这些是在宇宙中一些最剧烈的事件中产生的，如黑洞合并、超新星或大爆炸本身。自从2015年首次探测以来，经过三次观测，先进的LIGO和处女座探测器已经探测到大约100个这样的波。

多亏了这些观测，我们开始揭开我们宇宙中的黑洞群，研究最极端状态下的引力，甚至确定中子星合并期间金或铂等元素的形成。

LIGO和处女座探测器是人类有史以来建造的最精确的尺子，能够测量引力波产生的时空的微妙挤压和拉伸。

波的检测和它们的源的确定依赖于检测器数据与由每种类型的源发射的波的理论模型或“模板”的比较。这实际上是著名的Shazam应用程序告诉我们细节(姓名、作者、年份)的方式。)酒吧里播放的音乐。

虽然有几种方法来计算引力波模板，但最准确的方法(有时是唯一的方法)是通过在世界上一些最强大的超级计算机上进行的极其精确的数值模拟。然而，有一个警告:大多数数值模拟不输出检测器读取的量，称为应变，而是它的二阶导数，称为纽曼-彭罗斯标量。

这使得科学家需要对他们的模拟结果进行两次积分。这项研究的共同负责人、香港中文大学的Isaac Wong博士解释说:“虽然积分听起来很简单，但这种运算会出现众所周知的错误，我们只能处理相当简单的错误，如LIGO和处女座迄今为止一直在探测的圆形轨道上的黑洞合并。此外，这样做并不简单，需要相当多的人工调整，包括人类的选择。”

在最近发表在《物理评论X》杂志上的一项研究中，由西班牙加利西亚高能物理研究所的Juan Calderón Bustillo博士和Marie Curie Fellow博士以及香港中文大学的Isaac Wong博士领导的一个团队提出，要彻底改变引力波分析自诞生以来的执行方式。

作者建议对探测器数据进行求导，而不是对他们的模拟进行积分，同时保持他们的模拟不变。



玻色子星合并的再现。鸣谢:Nicolas Sanchis Gual和Rocio Garcia Souto。

Calderón-Bustillo博士解释说，“虽然这看起来是一个很小的调整，但它有很大的优势。首先，这大大简化了获取可与Virgo处女座数据进行比较的模板的过程。最重要的是，我们现在可以对超级计算机可以模拟的任何来源安全地做到这一点。”

事实上，该团队长期以来一直有兴趣研究当前的一些信号可能是由于更奇特和神秘的东西，即所谓的玻色子星。

来自巴伦西亚大学的这项研究的共同作者Sanchis-Gual博士说:“玻色子恒星的行为非常像黑洞，但它们从根本上是不同的，因为它们缺乏黑洞最独特的(也是有点问题的)两个方面:它们的不可逆表面被称为事件视界，以及内部的奇点，物理定律在这里崩溃。”

虽然该团队知道如何在超级计算机中模拟这些来源，但“由于众所周知的问题，我们在理解如何将我们的模拟输出转换为我们可以与探测器数据进行比较的东西方面遇到了真正的困难。同样来自巴伦西亚大学的亚历杭德罗·托雷斯教授说:“从数据中提取导数的想法使事情变得非常简单。

作为他们新技术的第一次应用，在发表于《物理评论D》的另一篇文章中，该团队将LIGO和处女座观察到的一些引力波事件与大量玻色子-恒星合并的模拟进行了比较。

阿威罗大学的卡洛斯·赫尔德罗教授说:“如果存在玻色子星合并，这至少可以解释我们所知的暗物质的一部分。”

事实上，研究小组发现，迄今为止观察到的最神秘的事件之一，即GW190521，确实与此类模拟相符。这加强了该团队在2020年获得的类似结果，该结果是使用明显更小的星表获得的。

参与了这两项研究的香港中文大学博士生Samson Leong说:“看到GW190521与玻色子-恒星合并相一致是非常令人兴奋的。这并没有强调这些奇异物体在引力波天文学未来的潜在作用。”

K.U. Leuven的Tjonnie Li教授补充说:“这个结果也证明了我们新方法的力量。通过简单的求导，我们为通过引力波探索和理解宇宙打开了一个更广阔的窗口。”