探测系统利用引力波绘制合并黑洞分布图

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一个包括耶鲁大学研究人员在内的国际天体物理学家合作团队提出并测试了一套探测系统,尝试利用引力波在宇宙尺度上定位合并中的黑洞系统,即超大质量黑洞双星。研究人员表示,若能建立这类分布图,将为天文学与物理学研究提供新的观测路径,其意义可类比早期X射线与无线电观测为相关领域带来的推动。

该团队的研究成果已发表在《天体物理学杂志快报》(The Astrophysical Journal Letters)。耶鲁大学文理学院物理学助理教授、北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)成员、论文通讯作者Chiara Mingarelli称,这项工作为开发与检验针对单个连续引力波源的探测协议提供了首个可供参考的具体基准。

研究人员指出,即便只确认少量超大质量黑洞双星,也足以为引力波背景的空间分布图提供“锚点”。在未来数月内,NANOGrav将继续推进对相关双星的识别与定位工作。

在研究思路上,Mingarelli及其合作者此前的理论工作曾提出,黑洞合并在拥有类星体的星系中出现的概率约为其他星系的五倍。类星体被描述为由气体落入黑洞而产生的明亮“灯塔”。基于这一结论,最新研究进一步给出了一个端到端的框架,用于对单个黑洞合并候选体发出的连续引力波开展定向搜索。

NANOGrav在2023年报告了首次直接发现引力波背景的证据。该结果表明,缓慢并合的超大质量黑洞对产生的引力波,能够以低频能量背景场的形式在地球上被探测到。NANOGrav的探测方法主要依托脉冲星——大质量恒星爆炸后形成的塌缩核心。脉冲星高速自转并发出计时精确的无线电信号,为相关测量提供基础。

在此基础上,国际合作团队进一步将工作重点转向对单个引力波源的搜索。此次研究中,Mingarelli带领团队测试了一种将引力波背景测量与类星体变量测量相结合的方法,并对114个活动星系核开展超大质量黑洞双星的定向搜索。活动星系核指黑洞吸积物质的星系中心区域。

研究团队在筛选中提出两个目标:SDSS J1536+0411(别名“Rohan”)与SDSS J0729+4008(别名“Gondor”)。论文称,这两个别名部分取自J.R.R.托尔金《指环王》中的地名。Mingarelli表示,“Rohan”这一命名与最先分析该目标的耶鲁学生Rohan Shivakumar有关;“Gondor”则紧随其后。

Mingarelli表示,这项工作为引力波理论与数据分析、星系并合研究以及黑洞天体物理等多个方向提供了进一步研究的空间。她称,团队通过系统性的定向搜索制定了严格协议,并指出上述两个目标在结果中较为突出,可作为后续研究的参考样本。


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