如何聆聽(tīng)銀河系中心方向傳來(lái)的引力波“和聲”？

銀河系中心超大質(zhì)量黑洞周邊區(qū)域。NASA / UMass / Q.D. Wang / STScI

銀河系中心除了有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，很可能還存在一個(gè)由各種極端天體雙星系統(tǒng)，如黑洞、中子星和白矮星構(gòu)成的“黑暗森林”。所有組成這些雙星系統(tǒng)的天體都在回旋靠近，并在此過(guò)程中攪動(dòng)時(shí)空釋放引力波。人類(lèi)目前還探測(cè)不到這些引力波，但科學(xué)家們正在致力于發(fā)展新的技術(shù)，以及解讀這些信號(hào)的方法。

這是一種引力波低鳴。目前的引力波探測(cè)器只能探測(cè)到黑洞或中子星合并前最后一刻發(fā)出的短暫悲鳴。而這些天體在合并前較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)會(huì)持續(xù)產(chǎn)生引力波。它們之中有很多是不對(duì)稱的，一個(gè)天體比另一個(gè)大很多，抑或二者的軌道呈狹長(zhǎng)的橢圓形，這樣布局會(huì)導(dǎo)致它們釋放的引力波中出現(xiàn)規(guī)律性的漲落，而探測(cè)這樣的引力波可能會(huì)相對(duì)容易。

銀河系中心還存在另一種引力波源，即中子星或褐矮星在很近的軌道上環(huán)繞銀河系中心超大質(zhì)量黑洞運(yùn)行時(shí)釋放出的引力波信號(hào)。這兩種引力波信號(hào)都有很高的科研價(jià)值。但是最新的研究顯示，這兩種信號(hào)極有可能發(fā)生重疊。未來(lái)如果我們探測(cè)到它們，得到的很可能不是清晰的“獨(dú)唱”，而是一種“和聲”。

研究人員稱，如果黑洞雙星系統(tǒng)的質(zhì)量低于或大于某個(gè)范圍，它們持續(xù)產(chǎn)生的引力波信號(hào)就更有可能被大量類(lèi)似信號(hào)“淹沒(méi)”。但是這種“背景聲”有統(tǒng)計(jì)學(xué)特征。如果能夠運(yùn)用高質(zhì)量的模型，就可以過(guò)濾掉雜音，從中獲得有價(jià)值的信號(hào)。與此同時(shí)也可以使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，從噪音中提取有用的信號(hào)。而對(duì)于褐矮星雙星系統(tǒng)而言，超大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生的潮汐效應(yīng)可能會(huì)使之在射電波段上爆發(fā)耀斑。如此一來(lái)，科學(xué)家還可以通過(guò)“多信使觀測(cè)”，同時(shí)觀測(cè)其產(chǎn)生的電磁波和引力波，對(duì)其信號(hào)作進(jìn)一步區(qū)分。

要想真正聆聽(tīng)到從銀河系中心方向傳來(lái)的詭譎引力波和聲，可能至少還要再等待幾十年。但科學(xué)的認(rèn)知不僅要面對(duì)觀測(cè)極限的挑戰(zhàn)。如何使用創(chuàng)新的手法對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，也是需要解決的難題。

參考
A forest of gravitational waves in our Galactic Centre
https://arxiv.org/abs/2504.20147