黑洞碰撞產生的引力波,擠壓和拉伸空間,導致時空永久性的扭曲!

2020-11-24 騰訊網

天文學家觀測到引力波是空間和時間的漣漪，由雙黑洞碰撞合併、雙中子星碰撞合併或由中子星和黑洞碰撞等大質量天文事件產生的，因為質量黑洞等大質量天體合併事件，我們人類的儀器靈敏度才能夠探測到，並非是說只有這樣才能產生。愛因斯坦的廣義相對論預測，引力波（GW）會在經過時擠壓和拉伸空間，並將永久扭曲空間，留下對波的「記憶」。

然而，這種記憶效應還沒有被檢測到，因為它會非常小，只留下最微弱的痕跡。莫納什大學引力波發現ARC卓越中心(OzGrav)的科學家，終於開發出一種搜索和檢測引力波記憶的方法。在OzGrav博士Moritz Huebner的帶領下，新發表的這篇研究論文解釋了通過分析來自大量觀察數據尋找引力波記憶的棘手之處。Huebner將在坎培拉的澳大利亞國家理論天體物理研究所(ANITA)展示這些結果。

科學模型預計記憶會在探測器上留下極其微弱的痕跡，遠遠小於黑洞碰撞本身產生的波。因此，許多引力波事件的數據需要合併。為了做到這一點，研究小組使用了一些最精確的引力波和記憶模型，這些模型是從黑洞碰撞合併研究中開發出來的。研究算法仔細梳理數據，測量引力波記憶存在的確切證據。對於每一次單獨的觀察，這種艱苦的方法，可能需要在正常的計算機晶片上，花費數百個小時來探索引力波信號如何產生的所有可能性。

能檢測到引力波記憶嗎？

引力波記憶是廣義相對論中的一種強場效應，表現為時空中的永久「位移」扭曲。研究利用先進的LIGO和Virgo探測器網絡開發了一個檢測引力波記憶的貝葉斯框架，將這個算法應用於LIGO/Virgo第一個瞬態引力波星表中的前十個雙星黑洞合併。雖然沒有發現引力波記憶的證據，這與預期一致。為了估計何時會檢測到記憶，研究使用最好的當前總體估計來構建LIGO/Virgo在設計靈敏度下的雙星黑洞觀測真實樣本。

這促使研究人員專注於微調設置，以在不影響搜索的情況下減少計算小時數。到目前為止，LIGO和室女座在2015年至2017年間探測到的前10起黑洞碰撞搜索結果，被證明是不確定的。LIGO和室女座還不夠敏感，不能就引力波記憶發表任何聲明。值得慶幸的是，科學家現在可以使用前10次黑洞碰撞的數據，並對未來將有多少可觀察到的引力波事件有一個像樣的想法，還可以計算在每一次事件中可以檢測到多少記憶證據。

在整個研究過程中，研究人員還發現，新搜索方法必須從大約2000個黑洞合併中提取數據來檢測記憶。雖然這聽起來可能令人難以置信，但該團隊預計到2020年代中期將達到這個數字。此外，LIGO和處女座正在不斷升級，自2019年4月第三次觀察運行開始以來，已經發現了40多次合併。隨著進一步的技術進步和日本KAGRA天文臺即將上線，研究小組相信他們每天都會探測到多個雙星合併，並最終將導致揭示引力波的記憶。

博科園｜研究/來自：ARC引力波發現卓越中心

參考期刊《物理評論D》

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