科学家们翻转引力波数据分析LIGO和Virgo是否探测到了暗物质恒星的合并

引力波是时空结构中以光速传播的涟漪。这些是在宇宙中一些最剧烈的事件中产生的，例如黑洞合并、超新星或大爆炸本身。自2015年首次探测以来，经过三次观测运行，AdvancedLIGO和Virgo探测器已探测到大约100个此类波。

得益于这些观测，我们开始揭示宇宙中的黑洞群，研究最极端的引力，甚至确定中子星合并过程中金或铂等元素的形成。

LIGO和Virgo探测器只不过是人类有史以来建造的最精确的标尺，能够测量引力波对时空产生的微妙挤压和拉伸。

波的检测和波源的确定依赖于探测器数据与每种类型源发射的波的理论模型或“模板”的比较。这本质上就是著名的Shazam应用程序告诉我们酒吧正在播放的音乐的详细信息(名称、作者、年份)的方式。

虽然计算引力波模板的方法有多种，但最准确的一种(有时是唯一的一种)是通过在世界上一些最强大的超级计算机上进行极其精确的数值模拟。然而，有一个警告：大多数数值模拟不输出探测器读取的量(称为应变)，而是输出其二阶导数，称为纽曼-彭罗斯标量。

这使得科学家需要对模拟结果进行二次积分。香港中文大学这项研究的联合负责人IsaacWong博士解释说：“虽然积分听起来很简单，但这种操作会出现众所周知的错误，我们只能处理相当简单的来源，例如合并迄今为止，LIGO和Virgo已经探测到了圆形轨道上的黑洞数量。此外，做到这一点并不简单，需要相当多的手动调整，其中涉及人类的选择。”

最近，由加利西亚高能物理研究所(西班牙)的“LaCaixaJuniorLeader”JuanCalderónBustillo博士和“居里夫人”JuanCalderónBustillo博士领导的团队以及来自西班牙加利西亚高能物理研究所的IsaacWong博士领导的团队在《PhysicalReviewX》杂志上发表了最新的研究成果。香港中文大学提出扭转引力波分析自诞生以来的执行方式。

作者建议对探测器数据进行导数，而不是对模拟进行积分，同时保持模拟不变。

玻色子星合并的重现。图片来源：NicolasSanchisGual和RocioGarciaSouto。

Calderón-Bustillo博士解释说：“虽然这看起来像是一个微不足道的调整，但它具有很大的优势。首先，这大大简化了获取可与LIGO-Virgo数据进行比较的模板的过程。最重要的是，我们现在可以对于超级计算机可以模拟的任何来源都可以安全地执行此操作。”

事实上，该团队长期以来一直对研究当前的一些信号可能是由于某种更奇特和神秘的东西(称为玻色子星)的可能性感兴趣。

瓦伦西亚大学这项研究的合著者桑奇斯-瓜尔博士说：“玻色子星的行为非常像黑洞，但它们有本质上的不同，因为它们缺乏黑色的两个最独特(也有些问题)的方面洞：它们的不可返回表面，称为事件视界，以及内部的奇点，物理定律在这里失效。”

虽然团队知道如何在超级计算机中模拟这些源，但“由于众所周知的问题，我们在理解如何将模拟的输出转换为可以与探测器数据进行比较的东西方面遇到了真正的困难。从数据让事情变得极其简单，”同样来自巴伦西亚大学的亚历杭德罗·托雷斯教授说。

作为新技术的首次应用，在《物理评论D》上发表的另一篇论文中，该团队将LIGO和Virgo观测到的一些引力波事件与玻色子星合并的大量模拟进行了比较。

阿威罗大学的卡洛斯·赫代罗教授说：“如果存在现有的玻色子星合并，那么它们至少可以解释我们所知的暗物质的一部分。”

事实上，研究小组发现迄今为止观察到的最神秘的事件之一，即GW190521，确实与此类模拟相符。这强化了该团队在2020年使用小得多的目录获得的类似结果。

参与这两项研究的香港中文大学博士生SamsonLeong表示：“看到GW190521与玻色子星合并一致是非常令人兴奋的。这并没有强调这些奇异物体在引力波天文学的未来。”

鲁汶大学的TjonnieLi教授补充道：“这一结果也证明了我们新方法的力量。通过简单地求导，我们为通过引力波探索和理解宇宙打开了更广阔的窗口。”