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  • 黑洞碰撞产生的引力波,挤压和拉伸空间,导致时空永久性的扭曲

    天文学家观测到引力波是空间和时间的涟漪,由双黑洞碰撞合并、双中子星碰撞合并或由中子星和黑洞碰撞等大质量天文事件产生的,因为质量黑洞等大质量天体合并事件,我们人类的仪器灵敏度才能够探测到,并非是说只有这样才能产生。爱因斯坦的广义相对论预测,引力波(GW)会在经过时挤压和拉伸空间,并将永久扭曲空间,留下对波的“记忆”。

    黑洞碰撞产生的引力波,挤压和拉伸空间,导致时空永久性的扭曲

    然而,这种记忆效应还没有被检测到,因为它会非常小,只留下最微弱的痕迹。莫纳什大学引力波发现ARC卓越中心(OzGrav)的科学家,终于开发出一种搜索和检测引力波记忆的方法。在OzGrav博士Moritz Huebner的带领下,新发表的这篇研究论文解释了通过分析来自大量观察数据寻找引力波记忆的棘手之处。Huebner将在堪培拉的澳大利亚国家理论天体物理研究所(ANITA)展示这些结果。

    黑洞碰撞产生的引力波,挤压和拉伸空间,导致时空永久性的扭曲

    科学模型预计记忆会在探测器上留下极其微弱的痕迹,远远小于黑洞碰撞本身产生的波。因此,许多引力波事件的数据需要合并。为了做到这一点,研究小组使用了一些最精确的引力波和记忆模型,这些模型是从黑洞碰撞合并研究中开发出来的。研究算法仔细梳理数据,测量引力波记忆存在的确切证据。对于每一次单独的观察,这种艰苦的方法,可能需要在正常的计算机芯片上,花费数百个小时来探索引力波信号如何产生的所有可能性。

    能检测到引力波记忆吗?

    引力波记忆是广义相对论中的一种强场效应,表现为时空中的永久“位移”扭曲。研究利用先进的LIGO和Virgo探测器网络开发了一个检测引力波记忆的贝叶斯框架,将这个算法应用于LIGO/Virgo第一个瞬态引力波星表中的前十个双星黑洞合并。虽然没有发现引力波记忆的证据,这与预期一致。为了估计何时会检测到记忆,研究使用最好的当前总体估计来构建LIGO/Virgo在设计灵敏度下的双星黑洞观测真实样本。

    黑洞碰撞产生的引力波,挤压和拉伸空间,导致时空永久性的扭曲

    这促使研究人员专注于微调设置,以在不影响搜索的情况下减少计算小时数。到目前为止,LIGO和室女座在2015年至2017年间探测到的前10起黑洞碰撞搜索结果,被证明是不确定的。LIGO和室女座还不够敏感,不能就引力波记忆发表任何声明。值得庆幸的是,科学家现在可以使用前10次黑洞碰撞的数据,并对未来将有多少可观察到的引力波事件有一个像样的想法,还可以计算在每一次事件中可以检测到多少记忆证据。

    黑洞碰撞产生的引力波,挤压和拉伸空间,导致时空永久性的扭曲

    在整个研究过程中,研究人员还发现,新搜索方法必须从大约2000个黑洞合并中提取数据来检测记忆。虽然这听起来可能令人难以置信,但该团队预计到2020年代中期将达到这个数字。此外,LIGO和处女座正在不断升级,自2019年4月第三次观察运行开始以来,已经发现了40多次合并。随着进一步的技术进步和日本KAGRA天文台即将上线,研究小组相信他们每天都会探测到多个双星合并,并最终将导致揭示引力波的记忆。

    黑洞碰撞产生的引力波,挤压和拉伸空间,导致时空永久性的扭曲

    博科园|研究/来自:ARC引力波发现卓越中心

    参考期刊《物理评论D》

    DOI: 10.1103/PhysRevD.101.023011

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