环球聚焦：摇摆不定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

2020年1月29日凌晨，一个这样的涟漪冲过了我们的星球。它被美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）和意大利的第三个探测器Virgo的双重探测器接收到。探测器特有的鸣叫声表明，两个黑洞—一个质量约为太阳质量的40倍，另一个为太阳质量的22倍，已经撞在一起。

(资料图)

在周三发表在《自然》杂志上的一项新研究中，研究人员检查了来自这次碰撞产生的波，被称为GW200129，当第一次发现时，它显示了一个奇特的信号。该波的鸣叫声似乎表明，相互碰撞的黑洞在其轨道上“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十分确定该信号提供了这种现象的证据。相反，他们想知道数据是否可能受到首次发现GW200129的其中一个引力波探测器的故障的影响。

GW200129发生了什么？

首先，让我们来谈谈那个"摇摆"。为了直观地了解“岁差”，请想一想地球绕着太阳运转。你可能会想象我们这个小小的、蓝绿色的星球在一个平面上围绕着这个大而热的气体球旋转。这颗行星围绕太阳运动，没有"向上"或"向下"的偏差。它只是像代托纳500赛道上的赛车一样围绕太阳运动。(这里我们不谈地球的轴心偏移）。

在模拟中，你可以清楚地看到，当两个黑洞互相绕行时，轨道平面会发生变化。

两个黑洞有着相同的关系，在一个漂亮的、平坦的轨道平面上围绕对方旋转，在它们不断靠近对方的过程中以引力波的形式释放能量。但在岁差黑洞中，轨道平面会随着时间的推移而扭曲。爱因斯坦的广义相对论表明，单个黑洞的旋转方式可以影响到岁差。当自旋错位时，轨道面就会被旋转。

你可以看到加州理工学院天体物理学家Vijay Varma产生的一个例子，这要归功于他在2018年的一篇论文中产生的一个工具，见上面的GIF。

在理论上，天体物理学家可以通过研究引力波信号来"看到"双体黑洞的岁差，但它是极其微妙的。新研究的作者认为他们已经在数据中捕捉到了这个难以捉摸的信号--发现了一个到处摇摆和倾斜的黑洞双体。

英国卡迪夫大学天体物理学教授、新研究的第一作者Mark Hannam说：“终于观察到了它，这非常令人兴奋。这是自2015年首次探测以来我们一直希望观察到的东西，这是因为它是我们在黑洞合并的极端制度中尚未看到的广义相对论效应，而且它有可能告诉我们很多关于黑洞如何形成的信息。”

一般来说，当一颗恒星坍缩时形成的黑洞旋转得相当慢，而且没有任何前行。但是，由另外两个黑洞碰撞形成的黑洞可能具有相当不寻常的旋转和极端速度，这可能使整个系统陷入混乱。因此，Hannam指出，“一种可能性是，较大的黑洞是在两个黑洞的早期合并中产生的。”

尽管该信号可能被解释为两个晃动的岁差黑洞，但其他天体物理学家已经注意到GW200129可能是一些远没有那么令人兴奋的东西。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Livingston探测器在事件发生的同时出现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arXiv网站，文章将GW200129描述为一个"奇怪的案例"，并提出了这样一个故障可能影响信号的论点。

引力波探测器会出现故障和噪音，有时会掩盖信号。 Payne说，大多数情况下，并不影响我们对引力波起源地的理解。通过一些微调，科学家们可以解释这些噪音和故障。第一次探测到来自两颗中子星碰撞的引力波就是这种情况，但科学家们能够建立模型并"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Hannam在新研究中用来减去故障。Hannam说：“故障的去除可能并不完美，但剩下的东西极不可能模仿我们所看到的岁差。”他说他对他的团队的结果很有信心，因为所有的发展都是为了准备来自探测器的数据以及对他的团队自己的分析所做的检查。

但是不确定性仍然存在。 Payne的工作表明，科学家们所做的一些微调可以消除所有故障的证据。其他天体物理学家则认为，这些分析并没有完全考虑到这一点。

澳大利亚蒙纳士大学的天体物理学家、LIGO-Virgo合作项目的成员Eric Thrane说：“我认为这是一项令人兴奋的工作，但从Payne（的论文）来看，我不确定他们已经证明了他们的目的。”

应该指出的是，分析GW200129信号、确定其岁差速度、撰写新的研究报告并使其被《自然》杂志接受发表的过程需要很长的时间。Hannam和他的合著者在LIGO故障的问题完全解决之前就已经开始准备这篇文章了。新的论文还没有讨论 Payne和他的团队进行的分析所提出的问题，但Hannam指出“他们的方法仍然需要发展”。

这就是科学在行动。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理由。目前，天体物理学家似乎倾向于不把GW200129作为我们发现的第一个前行黑洞双星。但是，科学家们明确地看到这种现象只是时间问题。

LIGO、Virgo和Kagra探测器将在2023年初开始另一次观测，即第四次。在过去的两年里，这些探测器得到了重大升级，这将使它们更加敏感，为探测到来自整个宇宙的更多微弱信号提供了可能。Hannam说：“我们有可能每年再观测到200到300个GWs，所以我们很有可能很快就能更好地了解这些系统！”

而随之而来的是进一步的挑战，特别是围绕着对故障和噪音的整理。Payne说：“随着我们的探测器的改进，预期的观测数量将会增加，被故障污染的事件的数量将会激增，并且需要仔细工作来建立故障模型。”