如何聆聽黑洞相互碰撞的引力波背景嗡嗡聲？

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群星璀璨、萬物有理

第一次發現引力波(發生在2015年9月)引發了天文學的革命。這一事件不僅證實了愛因斯坦的相對論在一個世紀之前所預言的理論，而且還開創了一個新的時代，在這個新時代，可以通過檢查其產生的波來研究遙遠的黑洞、超新星和中子星的合併。此外科學家們推測，黑洞合併實際上可能比以前認為的要普遍得多。根據莫納什大學的兩位研究人員進行的一項新研究，這些合併每隔幾分鐘就會發生一次。

對兩個黑洞合併的印象概念圖，已經被理論化成為引力波的來源。由於他們對第一次探測的貢獻，引力波研究背後的物理學家獲得了2017年諾貝爾物理學獎。圖片：Bohn, Throwe, Hébert, Henriksson, Bunandar, Taylor, Scheel/SXS

通過傾聽宇宙的背景噪音，可以找到數以千計以前未被發現的事件的證據。研究標題為「對天體重力波背景的最優搜索」，最近發表在《物理評論x》雜誌上，該研究由Rory Smith和Eric Thrane進行，他們分別是莫納什大學的高級講師和研究員。這兩名研究人員都是「重力波發現卓越中心」的成員。

Drs. Eric Thrane and Rory Smith. 圖片：Monash University

在他們的研究中，每2到10分鐘，一對恆星質量黑洞在宇宙的某個地方合併。其中一小部分足夠大，由此產生的引力波事件可以通過激光干涉引力波天文台和室女座天文台等先進儀器探測到。然而其餘的則是一種隨機背景雜訊。通過測量這種雜訊，科學家們也許能夠更深入地研究事件的方式，並能更多地了解引力波。

正如Thrane博士在莫納什大學的新聞聲明中所解釋的那樣：測量引力波的背景可以讓我們在很遠的地方研究黑洞的數量。有一天，這種技術可以讓我們看到來自大爆炸的引力波，隱藏在黑洞和中子星的引力波後面。當提到引力波的研究時，史密斯博士和Thrane都不是業餘愛好者。去年他們都參與了一個重大突破，來自LIGO科學合作(LSC)的研究人員和室女座合作測量了一對合併中子星的引力波。

這是第一次中子星合併(又稱「中子星」)，在引力波和可見光中都能觀測到。這對搭檔也是高級LIGO團隊的成員，他們在2015年9月首次發現了引力波。到目前為止，6個證實的引力波事件已經被LIGO和處女座的合作證實。但根據Thrane和Smith博士的說法，每年發生的事件可能多達10萬件，而這些探測器根本無法處理。

雙黑洞合併概念圖，圖片：LIGO/A. Simonnet.

這些波結合在一起形成了引力波背景，雖然個別事件難以察覺，但研究人員一直在嘗試開發一種方法來檢測多年的噪音。依靠計算機模擬微弱的黑洞信號和大量已知事件的數據，Drs.Thrane和Smith聲稱已經做到了這一點。從這一點上，可以在模擬數據中產生一個信號，這是微弱黑洞合併的證據。展望未來，Thrane博士和Smith希望將他們的新方法應用到真實數據中，並且樂觀地認為這將產生結果。

研究人員還將獲得新的OzSTAR超級計算機，該超級計算機上個月安裝在Swinburne大學，幫助科學家在LIGO數據中尋找引力波。這台電腦與LIGO社區使用的電腦不同，LIGO社區包括加州理工學院和麻省理工學院的超級計算機。與傳統的中央處理器(cpu)相比，ozg使用的是圖形處理器單元——對於某些應用程序來說，它的速度可能要快數百倍。據ozridge超級計算機的負責人Matthew Bailes教授說：它比我1998年在該機構建造的第一台超級計算機要強大125000倍……通過利用gpu的力量，OzStar有可能在引力波天文學上有重大發現。

關於引力波的研究，尤其令人印象深刻的是它是如何如此迅速地發展的。從2015年的初步檢測來看，來自高級LIGO和室女座的科學家已經確認了6個不同的事件，並預測了更多的事件。最重要的是天體物理學家甚至提出了利用引力波來更多地了解導致它們的天文現象的方法。所有這些都歸功於儀器的改進和天文台之間的合作。通過更複雜的方法，可以通過檔案數據來獲取額外的信號和背景噪音，將更多地了解這一神秘的宇宙力量。

博科園-科學科普｜文：Matt Williams｜來自：Universe Today｜參考：Monash, Physical Review X

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