摇摆的黑洞碰撞或探测器故障？ 天体物理学家对极端结果感到困惑

黑洞碰撞是宇宙中最极端的现象之一。 当这两个黑暗的天体相互盘旋时，它们扰乱了时空结构，在宇宙中发出涟漪。 这些涟漪——引力波——最终冲刷地球，美国、意大利和日本的一些非常敏感的探测器可以“听到”它们。

2020 年 1 月 29 日凌晨，一个这样的涟漪席卷了我们的星球。它被美国激光干涉引力波天文台 (LIGO) 的双探测器和意大利的第三个探测器 Virgo 探测到。 探测器特有的啁啾声表明一对黑洞，一个大约是太阳质量的 40 倍，另一个是 22 倍的黑洞，已经撞在一起了。

在周三发表在《自然》杂志上的一项新研究中，研究人员检查了这次碰撞产生的波，称为 GW200129，它在首次被发现时显示出一种特殊的信号。 波浪的啁啾声似乎表明相互碰撞的黑洞正在它们的轨道上“摇摆”。 这种摆动在科学上被称为“岁差”，这将是我们第一次在黑洞中看到这种效应。

然而，其他引力波科学家并不确定该信号是否能证明这一现象。 相反，他们想知道数据是否会受到最先发现 GW200129 的引力波探测器中的一个故障的影响。

GW200129 发生了什么？

首先，让我们谈谈那个“摇摆”。 为了形象化岁差，想想地球绕太阳运行。 你可能会想象我们的蓝绿色小行星在平面上围绕着大而热的气体球旋转。 行星围绕太阳运行而不会“向上”或“向下”偏离。 它就像在 Daytona 500 赛道上的赛车一样绕着太阳移动。 （这里先不谈地球的轴向岁差）

两个黑洞有着相同的关系，在一个漂亮、平坦的轨道平面上围绕彼此旋转，随着它们越来越靠近彼此，以引力波的形式释放能量。 但在“进动”黑洞中，轨道平面会随着时间的推移而扭曲。 爱因斯坦看似牢不可破的广义相对论表明，单个黑洞旋转的方式（是的，它们旋转）可以影响岁差。 当自旋错位时，轨道平面可以旋转。

你可以看到加州理工学院的天体物理学家 Vijay Varma 制作的一个例子，这要归功于他在 2018 年的一篇论文中制作的工具。

理论上，天体物理学家可以通过研究引力波信号“看到”双黑洞的进动，但它 极其微妙. 新研究的作者相信他们已经在数据中捕捉到了这个难以捉摸的迹象——发现了一个到处摆动和倾斜的黑洞双星。

“终于观察到它非常令人兴奋，”英国卡迪夫大学天体物理学教授、新研究的第一作者马克汉纳姆说。 “这是自 2015 年首次发现以来我们一直希望观察到的东西，既因为它是我们尚未在黑洞合并的极端机制中看到的广义相对论效应，而且它有可能告诉我们一个很多关于黑洞是如何形成的。”

还记得我提到黑洞可以旋转吗？ 嗯，一般来说，恒星坍缩时形成的黑洞旋转得相当慢，没有任何进动。 但是由两个形成的黑洞 其他 黑洞碰撞可能会产生非常不寻常的旋转和极高的速度，这可能会使整个系统陷入混乱。 因此，汉纳姆指出，“一种可能性是，较大的黑洞是在较早的两个黑洞合并中产生的。”

非常了不起，但案件已经结案了吗？ 没那么快。

空间三角中的故障

虽然信号 可能 被解释为一对摇摆不定的进动黑洞，其他天体物理学家已经注意到 GW200129 可能远没有那么令人兴奋：一个错误。

加州理工学院的天体物理学家 Ethan Payne 说：“在 GW200129 的情况下，LIGO 的利文斯顿探测器与事件同时发生了一个微弱但存在的故障。” Payne 最近撰写了一篇预印本文章，于 6 月上传到网站 arXiv，其中将 GW200129 描述为一个“奇怪的案例”，并提出这种故障可能会影响信号的论点。

引力波探测器可能会遇到有时会掩盖信号的毛刺和噪声。 佩恩说，大多数情况不会影响我们对引力波起源的理解。 通过一些技巧，科学家可以解释噪音和故障。 首次探测到来自两颗碰撞中子星的引力波就是这种情况，但科学家们能够建模并“减去”故障。

在 GW200129 的情况下，引力波探测器中的另一个传感器被用来消除 Hannam 在新研究中的毛刺。 “故障消除可能并不完美，但剩下的任何东西都极不可能模仿我们所看到的岁差，”汉纳姆说。 他说他对他的团队的结果充满信心，因为在准备来自探测器的数据以及对他的团队自己的分析进行的检查方面进行了所有开发。

但不确定性依然存在。 佩恩的工作表明，科学家们所做的一些巧妙的工作可以消除所有故障的证据。 与我交谈过的其他天体物理学家认为，分析并未完全解释这一点。

“我认为这是一项令人兴奋的工作，”澳大利亚莫纳什大学的天体物理学家、与这项研究无关的 LIGO-Virgo 合作成员 Eric Thrane 说，“但根据佩恩[‘s paper]，我不确定他们是否已经证明了他们的初衷。”

应该注意的是，分析 GW200129 信号、确定其岁差、撰写新研究并使其接受在 Nature 上发表的过程需要很长时间。 Hannam 和他的合著者早在 LIGO 故障问题完全解决之前就已经在准备这篇文章了。 新论文没有讨论 Payne 和他的团队进行的分析所提出的问题，但 Hannam 指出“他们的方法仍需要开发”。

这是在行动的科学。 一个团队解释了一个数据点，另一个团队提供了我们应该谨慎对待它的原因。 目前，与我交谈过的天体物理学家似乎不再认为 GW200129 是我们发现的第一个进动黑洞双星。 但科学家们明确地看到这种现象只是时间问题。

LIGO、Virgo 和 Kagra 探测器将于 2023 年初开始另一次观测运行，即第四次。在过去的两年中，这些探测器进行了重大升级，使其更加灵敏，从而为探测到更微弱的物体提供了可能性来自宇宙的信号。 “我们每年可能会观察到 200 到 300 多吉瓦，因此我们很有可能很快就会更好地了解这些系统！” 汉南说。

随之而来的是进一步的挑战，尤其是在对故障和噪音进行分类方面。

“随着我们的探测器的改进，预期的观测数量将会增加，被毛刺污染的事件数量将猛增，需要仔细工作来模拟毛刺，”佩恩说。