2015年，引力波的發(fā)現(xiàn)迎來(lái)了一個(gè)全新的天文學(xué)時(shí)代。到目前為止，LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）和Virgo（室女座引力波天文臺(tái)）已經(jīng)探測(cè)到了五次黑洞合并和一次雙中子星合并所釋放出的引力波。但這些已探測(cè)到的事件仍只是冰山一角。

據(jù)天文學(xué)家估計(jì)，像LIGO和Virgo觀(guān)測(cè)到的這種恒星級(jí)質(zhì)量的黑洞合并，每隔幾分鐘就會(huì)發(fā)生在宇宙中的某個(gè)角落。而雙中子星的合并每15秒就會(huì)發(fā)生一次。但大多數(shù)這些合并事件由于太過(guò)遙遠(yuǎn)，所以它們輻射出的信號(hào)無(wú)法被這一代的探測(cè)器單獨(dú)分辨。澳大利亞莫納什大學(xué)的 Rory Smith 和 Eric Thrane在一篇新的論文中解釋了如何最好地結(jié)合來(lái)自眾多不太明顯的合并事件的信號(hào)，以揭示與宇宙的整個(gè)黑洞雙星族有關(guān)的信息。他們所提出的這項(xiàng)技術(shù)，比傳統(tǒng)方法能更快地捕捉到遠(yuǎn)處合并時(shí)發(fā)出的“隆隆”背景聲。

○ 大多數(shù)黑洞合并都因相距太遠(yuǎn)而無(wú)法在引力波探測(cè)器中產(chǎn)生顯著信號(hào)。然而來(lái)自更弱信號(hào)的背景能提供更多與黑洞有關(guān)的信息。Smith 和 Thrane 提出了一種新的分析技術(shù)，使研究人員能夠更快速地對(duì)引力波背景進(jìn)行評(píng)測(cè)。| 圖片來(lái)源：APS/Alan Stonebraker

LIGO和Virgo通過(guò)尋找激光干涉儀兩端的反射鏡之間的微小距離變化來(lái)檢測(cè)引力波。經(jīng)過(guò)干涉儀的引力波能有效地來(lái)回晃動(dòng)反射鏡，從而產(chǎn)生振蕩信號(hào)。對(duì)于黑洞合并來(lái)說(shuō)，這種信號(hào)可以短暫的持續(xù)幾分之一秒，而中子星合并則可持續(xù)幾分鐘。位于美國(guó)的LIGO由兩個(gè)相隔3000公里遠(yuǎn)的干涉儀組成，而Virgo在意大利有一個(gè)干涉儀。

如果通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)某一信號(hào)可能來(lái)自于天體的概率超過(guò)99.99%，LIGO和Virgo團(tuán)隊(duì)才會(huì)認(rèn)為這一信號(hào)具有“顯著性”。迄今為止被公布的五個(gè)黑洞合并和一次中子星合并都屬這一范疇之內(nèi)。研究人員通過(guò)將來(lái)自合并事件的引力波信號(hào)與基于愛(ài)因斯坦引力理論所作出的預(yù)測(cè)相比對(duì)，推斷出發(fā)生源的質(zhì)量、自旋和所處天空的位置。這些探測(cè)也被用來(lái)推斷整個(gè)宇宙中黑洞和中子星的合并率。

基于LIGO和Virgo探測(cè)器目前的靈敏度，它們只能探測(cè)到宇宙中很小一部分顯著合并。其余的合并導(dǎo)致的則是大量的亞閾（閾限以下）事件，有些幾乎與探測(cè)器中的噪聲沒(méi)有區(qū)別，還有些則幾乎處于真實(shí)事件的水平。例如2015年10月，LIGO探測(cè)器發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很有希望的事件（LVT151012），但隨后的分析認(rèn)為這一事件來(lái)自黑洞合并的概率只有87％，因此不足以被當(dāng)作是一次確認(rèn)事件。

若要充分理解黑洞的合并，需要被觀(guān)測(cè)的東西有許多，因此丟棄LVT151012等一些顯著性較低事件所蘊(yùn)藏的潛在有價(jià)值的信息是非?？上У?。好在我們可以從那些會(huì)共同形成一個(gè)模糊背景的微弱信號(hào)中學(xué)到一些東西。試想一下聆聽(tīng)沼澤中青蛙的呱呱叫聲：我們能聽(tīng)到近處青蛙發(fā)出的清晰的叫聲，但我們也能聽(tīng)到遠(yuǎn)處數(shù)千只青蛙發(fā)出的嗡嗡聲。這種背景音量是判斷青蛙數(shù)量的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)。類(lèi)似地，LIGO和Virgo探測(cè)器中無(wú)法分辨的背景的振幅能告訴我們有關(guān)于在宇宙更年輕時(shí)，發(fā)生在遠(yuǎn)處的黑洞合并事件。

傳統(tǒng)的鑒別這種引力波背景信號(hào)和噪聲的方法，是將兩個(gè)或多個(gè)探測(cè)器的輸出結(jié)果與所謂的交叉相關(guān)（互相關(guān)）分析進(jìn)行比較：噪聲在不同探測(cè)器間是不相關(guān)的，因此它在交叉相關(guān)中的貢獻(xiàn)將均化為零，而引力波信號(hào)就不是這樣。據(jù)預(yù)測(cè)，通過(guò)運(yùn)用交叉相關(guān)技術(shù)，以L(fǎng)IGO和Virgo探測(cè)器的靈敏度，用幾年的時(shí)間應(yīng)該就能探測(cè)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(guān)只適用于能產(chǎn)生相對(duì)恒定背景的有著隨機(jī)形狀并可能重疊的信號(hào)。相反，來(lái)自黑洞合并的信號(hào)往往在探測(cè)器中并不重疊，并且它們的形狀（或時(shí)間曲線(xiàn)）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(yīng)比傳統(tǒng)方法靈敏數(shù)千倍以上。

在他們的提議中，首先需要將來(lái)自L(fǎng)IGO與Virgo的三個(gè)干涉儀的原始數(shù)據(jù)分解成每段幾秒的片段；下一步是分析來(lái)自所有干涉儀在同一時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，從而確認(rèn)黑洞合并（而非是噪聲）的發(fā)生概率。關(guān)鍵是，提取的概率將是基于數(shù)據(jù)中的一個(gè)信號(hào)的貝葉斯概率，對(duì)它的評(píng)估需要進(jìn)行大量的高維積分計(jì)算。通過(guò)結(jié)合大量的概率測(cè)量，就可以確定黑洞合并的速率——這是從傳統(tǒng)的交叉相關(guān)方法中無(wú)法恢復(fù)的一類(lèi)信息。他們的方法也可以用來(lái)生成更多細(xì)致的信息，例如隨質(zhì)量變化的黑洞合并率。

Smith 和 Thrane估計(jì)，改進(jìn)后的搜尋將只需一天的數(shù)據(jù)就能對(duì)雙星黑洞背景進(jìn)行可靠測(cè)量，而用交叉相關(guān)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(jì)算時(shí)間也被大大增加了，因?yàn)樨惾~斯分析的計(jì)算量是非常高強(qiáng)度的。盡管如此，研究人員計(jì)算了計(jì)算成本，確定出這是可以在LIGO與Virgo的計(jì)算機(jī)資源范圍內(nèi)完成的。LIGO和Virgo正在積極的考慮實(shí)施這種新的分析方法。同時(shí)，它也可能為分析探測(cè)器中重疊的信號(hào)提供更一般化的方法，如壽命更長(zhǎng)的中子星合并。

雖然或許只有那些首次探測(cè)到的信號(hào)，如LIGO在2015年的探測(cè)結(jié)果才可以成為頭條新聞、贏(yíng)取諾貝爾獎(jiǎng)。但是 Smith 和 Thrane 用巧妙的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)表明，更“溫和”的信號(hào)也能提供非常寶貴的信息。