从引力波看相似天体对的存在

马克·布坎南+晨飞

近期检测到的一对正在合并的黑洞发出的引力波，暗示可能存在大量相似的天体对，这些天体对应该会产生微弱到无法用当前技术手段检测到的引力波背景。根据这一信息，研究人员估计，这一背景的强度可能是之前预期的10倍，有望在几年之内被灵敏的仪器探测到。这些背景信号可以帮助天体物理学家更好地理解黑洞双体是如何形成的，同时为检测大爆炸之后不久膨胀宇宙所释放的引力波奠定基础。

2015年9月14日，LIGO历史上第一次检测到引力波。通过将激光在相隔4千米的两个镜面之间反射，研究团队在引力波通过的时候检测到了镜面之间距离的微小波动。该引力波由编号为GW150914的天文事件触发，涉及两个质量分别为29倍和36倍太阳质量的黑洞的合并。

研究人员认为，宇宙中存在许多相似的黑洞以及中子星，它们处在不断的合并中，产生从各个方向到达地球的引力波。这些引力波会在检测器上产生微弱的爆破声。在没有真正发现天体对之前，科学家需要通过假设宇宙中此类天体对的数量以及它们的质量分布来估计该背景的强度。

明尼苏达州卡尔顿学院和LIGO科学合作组织的尼尔森·克里斯滕森说：“近期的观测结果带来的变化，是我们目前已知宇宙中确实有一定数目的黑洞双体。有关这一点我们获得了少许信息。”

这个新的分析由LIGO科学合作组织和欧洲VIRGO科学合作组织共同完成，估算了频率在100赫兹以下的引力波背景的能量密度（100赫兹以下频率是LIGO最敏感的波段）。为了进行该项估算，研究人员假定了一定数量的黑洞双体（这些黑洞具有不同的体积、与地球的不同距离，而且创造了不同的事件情境），并计算了这些黑洞合并造成的引力辐射的强度。

研究团队利用GW150914事件的细节来优化估算结果，对宇宙中黑洞双体的真实分布做出可能性最高的估计。他们认为，目前检测到的合并最可能是整个群体中具有代表性的、但并非极度罕见的事件。如果黑洞双体的群体分布呈高斯曲线，该事件会处在主要凸起对应的位置，而非曲线的尾端。GW150914事件中观测到的黑洞质量表明，黑洞双体的主要群体的大小比预期值高出大约20倍，会产生比之前的估计高出大约10倍的背景辐射。不过，克里斯滕森强调，该估算结果仍具有很多不确定性，而且它仅仅基于一个事件。

西弗吉尼亚大学摩根敦校区的天体物理学家莫拉·麦克劳林说：“在我看来，该估算结果是非常可信的。”她是北美纳赫兹天文台引力波项目合作组织的一名成员，该组织致力检测比LIGO能够检测到的信号频率低得多的引力波。“只要他们的参数里有任何漏洞，我都能看得出来。除非LIGO能检测到这个信号真的是太走运了，否则宇宙中这些系统的数量比我们先前设想的要多很多。”

麦克劳林认为，LIGO和VIRGO检测器的灵敏度已经足以检测到这个水平的引力背景，科学家能够在未来2年至5年内看到它。克里斯滕森说，这比物理学家先前预期的要快很多，而这一点使人们产生了很多期待。他说：“每个人都超级兴奋。”

检测到该背景能够使在整个宇宙中传递能量的引力波的存在得到确认。研究人员还表示，该研究同样能为进一步理解黑洞究竟是怎样形成的提供有用信息。如果将这一背景减去，或许有一天我们能够检测到来自大爆炸初期宇宙膨胀所产生的更微弱的引力波。