探测黑洞并合产生的背景引力波

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探测黑洞并合产生的背景引力波是怎么回事，是真的吗？2016年04月18日是本文发布时间是这个时间。下面一起来看看到底怎么回事吧。
                                探测黑洞并合产生的背景引力波
                               
                                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。
                               
                               


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