聽！黑洞的嗡嗡聲……

06-25

2015年，引力波的發現迎來了一個全新的天文學時代。到目前為止，LIGO（激光干涉引力波天文台）和Virgo（室女座引力波天文台）已經探測到了五次黑洞合併和一次雙中子星合併所釋放出的引力波。但這些已探測到的事件仍只是冰山一角。

據天文學家估計，像LIGO和Virgo觀測到的這種恆星級質量的黑洞合併，每隔幾分鐘就會發生在宇宙中的某個角落。而雙中子星的合併每15秒就會發生一次。但大多數這些合併事件由於太過遙遠，所以它們輻射出的信號無法被這一代的探測器單獨分辨。澳大利亞莫納什大學的 Rory Smith 和 Eric Thrane在一篇新的論文中解釋了如何最好地結合來自眾多不太明顯的合併事件的信號，以揭示與宇宙的整個黑洞雙星族有關的信息。他們所提出的這項技術，比傳統方法能更快地捕捉到遠處合併時發出的「隆隆」背景聲。

○大多數黑洞合併都因相距太遠而無法在引力波探測器中產生顯著信號。然而來自更弱信號的背景能提供更多與黑洞有關的信息。Smith 和 Thrane 提出了一種新的分析技術，使研究人員能夠更快速地對引力波背景進行評測。|圖片來源：APS/Alan Stonebraker

LIGO和Virgo通過尋找激光干涉儀兩端的反射鏡之間的微小距離變化來檢測引力波。經過干涉儀的引力波能有效地來回晃動反射鏡，從而產生振蕩信號。對於黑洞合併來說，這種信號可以短暫的持續幾分之一秒，而中子星合併則可持續幾分鐘。位於美國的LIGO由兩個相隔3000公里遠的干涉儀組成，而Virgo在義大利有一個干涉儀。

如果通過分析發現某一信號可能來自於天體的概率超過99.99%，LIGO和Virgo團隊才會認為這一信號具有「顯著性」。迄今為止被公布的五個黑洞合併和一次中子星合併都屬這一範疇之內。研究人員通過將來自合併事件的引力波信號與基於愛因斯坦引力理論所作出的預測相比對，推斷出發生源的質量、自旋和所處天空的位置。這些探測也被用來推斷整個宇宙中黑洞和中子星的合併率。

基於LIGO和Virgo探測器目前的靈敏度，它們只能探測到宇宙中很小一部分顯著合併。其餘的合併導致的則是大量的亞閾（閾限以下）事件，有些幾乎與探測器中的雜訊沒有區別，還有些則幾乎處於真實事件的水平。例如2015年10月，LIGO探測器發現了一個很有希望的事件（LVT151012），但隨後的分析認為這一事件來自黑洞合併的概率只有87％，因此不足以被當作是一次確認事件。

若要充分理解黑洞的合併，需要被觀測的東西有許多，因此丟棄LVT151012等一些顯著性較低事件所蘊藏的潛在有價值的信息是非常可惜的。好在我們可以從那些會共同形成一個模糊背景的微弱信號中學到一些東西。試想一下聆聽沼澤中青蛙的呱呱叫聲：我們能聽到近處青蛙發出的清晰的叫聲，但我們也能聽到遠處數千隻青蛙發出的嗡嗡聲。這種背景音量是判斷青蛙數量的一個衡量標準。類似地，LIGO和Virgo探測器中無法分辨的背景的振幅能告訴我們有關於在宇宙更年輕時，發生在遠處的黑洞合併事件。

傳統的鑒別這種引力波背景信號和雜訊的方法，是將兩個或多個探測器的輸出結果與所謂的交叉相關（互相關）分析進行比較：雜訊在不同探測器間是不相關的，因此它在交叉相關中的貢獻將均化為零，而引力波信號就不是這樣。據預測，通過運用交叉相關技術，以LIGO和Virgo探測器的靈敏度，用幾年的時間應該就能探測到引力波的背景。

但正如 Smith 和 Thrane 在他們新論文中所指出的那樣，交叉相關只適用於能產生相對恆定背景的有著隨機形狀並可能重疊的信號。相反，來自黑洞合併的信號往往在探測器中並不重疊，並且它們的形狀（或時間曲線）具有某種由黑洞屬性所決定的特定形式。因此研究人員提出了一種替代方法，這種方法應比傳統方法靈敏數千倍以上。

在他們的提議中，首先需要將來自LIGO與Virgo的三個干涉儀的原始數據分解成每段幾秒的片段；下一步是分析來自所有干涉儀在同一時間段內的數據，從而確認黑洞合併（而非是雜訊）的發生概率。關鍵是，提取的概率將是基於數據中的一個信號的貝葉斯概率，對它的評估需要進行大量的高維積分計算。通過結合大量的概率測量，就可以確定黑洞合併的速率——這是從傳統的交叉相關方法中無法恢復的一類信息。他們的方法也可以用來生成更多細緻的信息，例如隨質量變化的黑洞合併率。

Smith 和 Thrane估計，改進後的搜尋將只需一天的數據就能對雙星黑洞背景進行可靠測量，而用交叉相關方式搜索則大約需要花上四年！但是，雖然靈敏度得到了巨大提升，可計算時間也被大大增加了，因為貝葉斯分析的計算量是非常高強度的。儘管如此，研究人員計算了計算成本，確定出這是可以在LIGO與Virgo的計算機資源範圍內完成的。LIGO和Virgo正在積極的考慮實施這種新的分析方法。同時，它也可能為分析探測器中重疊的信號提供更一般化的方法，如壽命更長的中子星合併。

雖然或許只有那些首次探測到的信號，如LIGO在2015年的探測結果才可以成為頭條新聞、贏取諾貝爾獎。但是 Smith 和 Thrane 用巧妙的數據挖掘技術表明，更「溫和」的信號也能提供非常寶貴的信息。