引力波分析缩小黑洞“冒牌货”搜寻范围

引力波：探测宇宙的新窗口

引力波是时空本身的涟漪，当大质量天体加速运动时，就会像石头投入水面一样产生这种波动。2015年，激光干涉引力波天文台（LIGO）首次直接探测到引力波信号，开启了引力波天文学的新纪元。从此，科学家们能够通过分析这些微弱的时空涟漪，来研究宇宙中最极端的天体现象，比如黑洞的合并。

黑洞是引力极其强大的时空区域，连光都无法逃脱。当两个黑洞相互绕转并最终合并时，它们会释放出强大的引力波。然而，问题在于，其他一些假想的奇异致密天体，比如玻色子星，在合并时产生的引力波信号可能与黑洞非常相似。这就给天文学家带来了一个难题：如何确定我们探测到的引力波信号真的来自黑洞，而不是某种理论上的“冒牌货”？

自旋诱导四极矩：天体的“指纹”

为了区分真实黑洞和它的“冒牌货”，科学家们提出了一种巧妙的方法：测量天体的自旋诱导四极矩。简单来说，当一个天体旋转时，它的质量分布会因离心力而发生形变，不再是一个完美的球体。这种形变的程度和方式，就由自旋诱导四极矩来描述。

对于黑洞而言，根据爱因斯坦的广义相对论，它的所有性质都只由质量和自旋两个参数决定。这就是著名的“无毛定理”。因此，一个旋转的黑洞（即克尔黑洞）的自旋诱导四极矩有一个精确的理论预测值。然而，其他类型的致密天体，比如由玻色子构成的玻色子星，其内部结构不同，自旋诱导四极矩也会与黑洞的预测值存在差异。因此，通过精确测量一个致密天体的自旋诱导四极矩，并将其与理论预测进行比较，就可以判断它到底是黑洞还是其他奇异天体。

GW241011：一次理想的检验机会

2024年10月，LIGO和Virgo探测器探测到了一个名为GW241011的引力波信号。这个信号来自两个致密天体的合并。分析表明，这两个天体的质量分别约为19.6倍和5.9倍太阳质量，其中质量较大的那个天体（称为主天体）的自旋速度非常快，其无量纲自旋参数约为0.78。

更重要的是，这个事件具有几个非常有利于测量的特点：

• 显著的质量不对称性：两个天体的质量相差很大，这使得主天体的自旋效应在引力波信号中更加突出。
• 快速自旋的主天体：自旋越快，其产生的四极矩效应就越明显。
• 高信噪比：信号强度高，测量精度就更高。

这些特点使得GW241011成为应用自旋诱导四极矩方法进行检验的理想目标。来自伯明翰大学、圆周理论物理研究所等机构的研究人员抓住了这个机会。

排除“冒牌货”：玻色子星被否决

研究人员首先利用贝叶斯参数估计等数据分析方法，从GW241011的引力波信号中精确提取了主天体的质量、自旋和自旋诱导四极矩。然后，他们将这个测量值与各种理论模型预测的值进行比较。

研究团队考虑了多种可能的奇异致密天体模型，特别是那些在理论上被认为足够稳定、能够长期存在的模型。例如，他们重点考察了具有四次自相互作用的旋转玻色子星。

结果非常明确：这些玻色子星模型所预测的自旋诱导四极矩与GW241011的观测数据严重不符。因此，研究团队得出结论，GW241011中的主天体不可能是这类玻色子星。这相当于排除了一个重要的“冒牌货”候选者。

并非最终结论：其他可能性依然存在

尽管排除了玻色子星，但研究团队并没有就此宣称主天体一定就是黑洞。他们发现，如果某些奇异致密天体具有足够高的致密性（即质量与半径之比足够大），其自旋诱导四极矩仍然可能与观测数据相符。

因此，目前最准确的结论是：GW241011中的主天体与克尔黑洞的预测高度一致，但也不能完全排除它是某种我们尚未知晓的、具有极高致密性的奇异天体的可能性。正如研究人员所说，他们的工作不是简单地给天体贴标签，而是通过观测数据来不断缩小可能性的范围。

未来展望：引力波天文学的新时代

这项研究是自旋诱导四极矩方法从理论走向实践的重要一步。它证明了通过引力波观测来探测致密天体内部结构的可行性。

随着引力波探测器灵敏度的不断提升，未来我们将能探测到更多、更丰富的引力波事件。预计在2029年左右开始的第五次观测运行中，LIGO和Virgo的灵敏度将大幅提高。此外，下一代地面探测器以及像LISA这样的空间引力波天文台也在规划之中。

这些更先进的设施将使我们能够对更多引力波事件进行类似的分析，从而对黑洞的“冒牌货”施加更强的约束，甚至有可能发现全新的致密物质形态。这项研究为引力波天文学开辟了一个全新的方向，让我们离揭开宇宙中最神秘天体的面纱又近了一步。

原标题：Gravitational-wave analysis narrows the search for black hole impostors。 来源：phys.org。

阅读原文