2020年1月29日凌晨，一個這樣的漣漪沖過了我們的星球。它被美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）和意大利的第三個探測器Virgo的雙重探測器接收到。探測器特有的鳴叫聲表明，兩個黑洞—一個質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的40倍，另一個為太陽質(zhì)量的22倍，已經(jīng)撞在一起。

(資料圖)

在周三發(fā)表在《自然》雜志上的一項新研究中，研究人員檢查了來自這次碰撞產(chǎn)生的波，被稱為GW200129，當?shù)谝淮伟l(fā)現(xiàn)時，它顯示了一個奇特的信號。該波的鳴叫聲似乎表明，相互碰撞的黑洞在其軌道上“搖擺”。這種擺動在科學上被稱為“歲差”，這將是我們第一次在黑洞中看到這種效應。

然而，其他引力波科學家并不十分確定該信號提供了這種現(xiàn)象的證據(jù)。相反，他們想知道數(shù)據(jù)是否可能受到首次發(fā)現(xiàn)GW200129的其中一個引力波探測器的故障的影響。

GW200129發(fā)生了什么？

首先，讓我們來談談那個"搖擺"。為了直觀地了解“歲差”，請想一想地球繞著太陽運轉(zhuǎn)。你可能會想象我們這個小小的、藍綠色的星球在一個平面上圍繞著這個大而熱的氣體球旋轉(zhuǎn)。這顆行星圍繞太陽運動，沒有"向上"或"向下"的偏差。它只是像代托納500賽道上的賽車一樣圍繞太陽運動。(這里我們不談地球的軸心偏移）。

在模擬中，你可以清楚地看到，當兩個黑洞互相繞行時，軌道平面會發(fā)生變化。

兩個黑洞有著相同的關系，在一個漂亮的、平坦的軌道平面上圍繞對方旋轉(zhuǎn)，在它們不斷靠近對方的過程中以引力波的形式釋放能量。但在歲差黑洞中，軌道平面會隨著時間的推移而扭曲。愛因斯坦的廣義相對論表明，單個黑洞的旋轉(zhuǎn)方式可以影響到歲差。當自旋錯位時，軌道面就會被旋轉(zhuǎn)。

你可以看到加州理工學院天體物理學家Vijay Varma產(chǎn)生的一個例子，這要歸功于他在2018年的一篇論文中產(chǎn)生的一個工具，見上面的GIF。

在理論上，天體物理學家可以通過研究引力波信號來"看到"雙體黑洞的歲差，但它是極其微妙的。新研究的作者認為他們已經(jīng)在數(shù)據(jù)中捕捉到了這個難以捉摸的信號--發(fā)現(xiàn)了一個到處搖擺和傾斜的黑洞雙體。

英國卡迪夫大學天體物理學教授、新研究的第一作者Mark Hannam說：“終于觀察到了它，這非常令人興奮。這是自2015年首次探測以來我們一直希望觀察到的東西，這是因為它是我們在黑洞合并的極端制度中尚未看到的廣義相對論效應，而且它有可能告訴我們很多關于黑洞如何形成的信息。”

一般來說，當一顆恒星坍縮時形成的黑洞旋轉(zhuǎn)得相當慢，而且沒有任何前行。但是，由另外兩個黑洞碰撞形成的黑洞可能具有相當不尋常的旋轉(zhuǎn)和極端速度，這可能使整個系統(tǒng)陷入混亂。因此，Hannam指出，“一種可能性是，較大的黑洞是在兩個黑洞的早期合并中產(chǎn)生的。”

盡管該信號可能被解釋為兩個晃動的歲差黑洞，但其他天體物理學家已經(jīng)注意到GW200129可能是一些遠沒有那么令人興奮的東西。一個錯誤。

加州理工學院的天體物理學家Ethan Payne說：“在GW200129的情況下，LIGO的Livingston探測器在事件發(fā)生的同時出現(xiàn)了一個微弱但存在的故障。” Payne最近撰寫了一篇預印本文章，于6月上傳到arXiv網(wǎng)站，文章將GW200129描述為一個"奇怪的案例"，并提出了這樣一個故障可能影響信號的論點。

引力波探測器會出現(xiàn)故障和噪音，有時會掩蓋信號。 Payne說，大多數(shù)情況下，并不影響我們對引力波起源地的理解。通過一些微調(diào)，科學家們可以解釋這些噪音和故障。第一次探測到來自兩顆中子星碰撞的引力波就是這種情況，但科學家們能夠建立模型并"減去"故障。

在GW200129的情況下，引力波探測器中的另一個傳感器被Hannam在新研究中用來減去故障。Hannam說：“故障的去除可能并不完美，但剩下的東西極不可能模仿我們所看到的歲差。”他說他對他的團隊的結(jié)果很有信心，因為所有的發(fā)展都是為了準備來自探測器的數(shù)據(jù)以及對他的團隊自己的分析所做的檢查。

但是不確定性仍然存在。 Payne的工作表明，科學家們所做的一些微調(diào)可以消除所有故障的證據(jù)。其他天體物理學家則認為，這些分析并沒有完全考慮到這一點。

澳大利亞蒙納士大學的天體物理學家、LIGO-Virgo合作項目的成員Eric Thrane說：“我認為這是一項令人興奮的工作，但從Payne（的論文）來看，我不確定他們已經(jīng)證明了他們的目的。”

應該指出的是，分析GW200129信號、確定其歲差速度、撰寫新的研究報告并使其被《自然》雜志接受發(fā)表的過程需要很長的時間。Hannam和他的合著者在LIGO故障的問題完全解決之前就已經(jīng)開始準備這篇文章了。新的論文還沒有討論 Payne和他的團隊進行的分析所提出的問題，但Hannam指出“他們的方法仍然需要發(fā)展”。

這就是科學在行動。一個團隊解釋了一個數(shù)據(jù)點，另一個團隊提供了我們應該謹慎對待它的理由。目前，天體物理學家似乎傾向于不把GW200129作為我們發(fā)現(xiàn)的第一個前行黑洞雙星。但是，科學家們明確地看到這種現(xiàn)象只是時間問題。

LIGO、Virgo和Kagra探測器將在2023年初開始另一次觀測，即第四次。在過去的兩年里，這些探測器得到了重大升級，這將使它們更加敏感，為探測到來自整個宇宙的更多微弱信號提供了可能。Hannam說：“我們有可能每年再觀測到200到300個GWs，所以我們很有可能很快就能更好地了解這些系統(tǒng)！”

而隨之而來的是進一步的挑戰(zhàn)，特別是圍繞著對故障和噪音的整理。Payne說：“隨著我們的探測器的改進，預期的觀測數(shù)量將會增加，被故障污染的事件的數(shù)量將會激增，并且需要仔細工作來建立故障模型。”