馬克·布坎南+晨飛

近期檢測到的一對正在合并的黑洞發(fā)出的引力波，暗示可能存在大量相似的天體對，這些天體對應(yīng)該會產(chǎn)生微弱到無法用當前技術(shù)手段檢測到的引力波背景。根據(jù)這一信息，研究人員估計，這一背景的強度可能是之前預(yù)期的10倍，有望在幾年之內(nèi)被靈敏的儀器探測到。這些背景信號可以幫助天體物理學(xué)家更好地理解黑洞雙體是如何形成的，同時為檢測大爆炸之后不久膨脹宇宙所釋放的引力波奠定基礎(chǔ)。

2015年9月14日，LIGO歷史上第一次檢測到引力波。通過將激光在相隔4千米的兩個鏡面之間反射，研究團隊在引力波通過的時候檢測到了鏡面之間距離的微小波動。該引力波由編號為GW150914的天文事件觸發(fā)，涉及兩個質(zhì)量分別為29倍和36倍太陽質(zhì)量的黑洞的合并。

研究人員認為，宇宙中存在許多相似的黑洞以及中子星，它們處在不斷的合并中，產(chǎn)生從各個方向到達地球的引力波。這些引力波會在檢測器上產(chǎn)生微弱的爆破聲。在沒有真正發(fā)現(xiàn)天體對之前，科學(xué)家需要通過假設(shè)宇宙中此類天體對的數(shù)量以及它們的質(zhì)量分布來估計該背景的強度。

明尼蘇達州卡爾頓學(xué)院和LIGO科學(xué)合作組織的尼爾森·克里斯滕森說：“近期的觀測結(jié)果帶來的變化，是我們目前已知宇宙中確實有一定數(shù)目的黑洞雙體。有關(guān)這一點我們獲得了少許信息?！?/p>

這個新的分析由LIGO科學(xué)合作組織和歐洲VIRGO科學(xué)合作組織共同完成，估算了頻率在100赫茲以下的引力波背景的能量密度（100赫茲以下頻率是LIGO最敏感的波段）。為了進行該項估算，研究人員假定了一定數(shù)量的黑洞雙體（這些黑洞具有不同的體積、與地球的不同距離，而且創(chuàng)造了不同的事件情境），并計算了這些黑洞合并造成的引力輻射的強度。

研究團隊利用GW150914事件的細節(jié)來優(yōu)化估算結(jié)果，對宇宙中黑洞雙體的真實分布做出可能性最高的估計。他們認為，目前檢測到的合并最可能是整個群體中具有代表性的、但并非極度罕見的事件。如果黑洞雙體的群體分布呈高斯曲線，該事件會處在主要凸起對應(yīng)的位置，而非曲線的尾端。GW150914事件中觀測到的黑洞質(zhì)量表明，黑洞雙體的主要群體的大小比預(yù)期值高出大約20倍，會產(chǎn)生比之前的估計高出大約10倍的背景輻射。不過，克里斯滕森強調(diào)，該估算結(jié)果仍具有很多不確定性，而且它僅僅基于一個事件。

西弗吉尼亞大學(xué)摩根敦校區(qū)的天體物理學(xué)家莫拉·麥克勞林說：“在我看來，該估算結(jié)果是非常可信的?！彼潜泵兰{赫茲天文臺引力波項目合作組織的一名成員，該組織致力檢測比LIGO能夠檢測到的信號頻率低得多的引力波?！爸灰麄兊膮?shù)里有任何漏洞，我都能看得出來。除非LIGO能檢測到這個信號真的是太走運了，否則宇宙中這些系統(tǒng)的數(shù)量比我們先前設(shè)想的要多很多。”

麥克勞林認為，LIGO和VIRGO檢測器的靈敏度已經(jīng)足以檢測到這個水平的引力背景，科學(xué)家能夠在未來2年至5年內(nèi)看到它?？死锼闺f，這比物理學(xué)家先前預(yù)期的要快很多，而這一點使人們產(chǎn)生了很多期待。他說：“每個人都超級興奮?！?/p>

檢測到該背景能夠使在整個宇宙中傳遞能量的引力波的存在得到確認。研究人員還表示，該研究同樣能為進一步理解黑洞究竟是怎樣形成的提供有用信息。如果將這一背景減去，或許有一天我們能夠檢測到來自大爆炸初期宇宙膨脹所產(chǎn)生的更微弱的引力波。