2015年,，引力波的發(fā)現(xiàn)迎來了一個全新的天文學(xué)時代。到目前為止,，LIGO（激光干涉引力波天文臺）和Virgo（室女座引力波天文臺）已經(jīng)探測到了五次黑洞合并和一次雙中子星合并所釋放出的引力波,。但這些已探測到的事件仍只是冰山一角。

據(jù)天文學(xué)家估計(jì),，像LIGO和Virgo觀測到的這種恒星級質(zhì)量的黑洞合并,，每隔幾分鐘就會發(fā)生在宇宙中的某個角落,。而雙中子星的合并每15秒就會發(fā)生一次。但大多數(shù)這些合并事件由于太過遙遠(yuǎn),，所以它們輻射出的信號無法被這一代的探測器單獨(dú)分辨,。澳大利亞莫納什大學(xué)的 Rory Smith 和 Eric Thrane在一篇新的論文中解釋了如何最好地結(jié)合來自眾多不太明顯的合并事件的信號，以揭示與宇宙的整個黑洞雙星族有關(guān)的信息,。他們所提出的這項(xiàng)技術(shù),，比傳統(tǒng)方法能更快地捕捉到遠(yuǎn)處合并時發(fā)出的“隆隆”背景聲。

○ 大多數(shù)黑洞合并都因相距太遠(yuǎn)而無法在引力波探測器中產(chǎn)生顯著信號,。然而來自更弱信號的背景能提供更多與黑洞有關(guān)的信息,。Smith 和 Thrane 提出了一種新的分析技術(shù)，使研究人員能夠更快速地對引力波背景進(jìn)行評測,。| 圖片來源：APS/Alan Stonebraker

LIGO和Virgo通過尋找激光干涉儀兩端的反射鏡之間的微小距離變化來檢測引力波,。經(jīng)過干涉儀的引力波能有效地來回晃動反射鏡，從而產(chǎn)生振蕩信號,。對于黑洞合并來說,，這種信號可以短暫的持續(xù)幾分之一秒，而中子星合并則可持續(xù)幾分鐘,。位于美國的LIGO由兩個相隔3000公里遠(yuǎn)的干涉儀組成,，而Virgo在意大利有一個干涉儀。

如果通過分析發(fā)現(xiàn)某一信號可能來自于天體的概率超過99.99%,，LIGO和Virgo團(tuán)隊(duì)才會認(rèn)為這一信號具有“顯著性”,。迄今為止被公布的五個黑洞合并和一次中子星合并都屬這一范疇之內(nèi)。研究人員通過將來自合并事件的引力波信號與基于愛因斯坦引力理論所作出的預(yù)測相比對,，推斷出發(fā)生源的質(zhì)量,、自旋和所處天空的位置。這些探測也被用來推斷整個宇宙中黑洞和中子星的合并率,。

基于LIGO和Virgo探測器目前的靈敏度,，它們只能探測到宇宙中很小一部分顯著合并。其余的合并導(dǎo)致的則是大量的亞閾（閾限以下）事件,，有些幾乎與探測器中的噪聲沒有區(qū)別,，還有些則幾乎處于真實(shí)事件的水平。例如2015年10月,，LIGO探測器發(fā)現(xiàn)了一個很有希望的事件（LVT151012），但隨后的分析認(rèn)為這一事件來自黑洞合并的概率只有87％,，因此不足以被當(dāng)作是一次確認(rèn)事件,。

若要充分理解黑洞的合并，需要被觀測的東西有許多,，因此丟棄LVT151012等一些顯著性較低事件所蘊(yùn)藏的潛在有價(jià)值的信息是非?？上У摹：迷谖覀兛梢詮哪切餐纬梢粋€模糊背景的微弱信號中學(xué)到一些東西。試想一下聆聽沼澤中青蛙的呱呱叫聲：我們能聽到近處青蛙發(fā)出的清晰的叫聲,，但我們也能聽到遠(yuǎn)處數(shù)千只青蛙發(fā)出的嗡嗡聲,。這種背景音量是判斷青蛙數(shù)量的一個衡量標(biāo)準(zhǔn)。類似地,，LIGO和Virgo探測器中無法分辨的背景的振幅能告訴我們有關(guān)于在宇宙更年輕時,，發(fā)生在遠(yuǎn)處的黑洞合并事件。

傳統(tǒng)的鑒別這種引力波背景信號和噪聲的方法,，是將兩個或多個探測器的輸出結(jié)果與所謂的交叉相關(guān)（互相關(guān)）分析進(jìn)行比較：噪聲在不同探測器間是不相關(guān)的,，因此它在交叉相關(guān)中的貢獻(xiàn)將均化為零，而引力波信號就不是這樣,。據(jù)預(yù)測,，通過運(yùn)用交叉相關(guān)技術(shù)，以LIGO和Virgo探測器的靈敏度,，用幾年的時間應(yīng)該就能探測到引力波的背景,。

但正如 Smith 和 Thrane 在他們新論文中所指出的那樣，交叉相關(guān)只適用于能產(chǎn)生相對恒定背景的有著隨機(jī)形狀并可能重疊的信號,。相反,，來自黑洞合并的信號往往在探測器中并不重疊，并且它們的形狀（或時間曲線）具有某種由黑洞屬性所決定的特定形式,。因此研究人員提出了一種替代方法,，這種方法應(yīng)比傳統(tǒng)方法靈敏數(shù)千倍以上。

在他們的提議中,，首先需要將來自LIGO與Virgo的三個干涉儀的原始數(shù)據(jù)分解成每段幾秒的片段,；下一步是分析來自所有干涉儀在同一時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，從而確認(rèn)黑洞合并（而非是噪聲）的發(fā)生概率,。關(guān)鍵是,，提取的概率將是基于數(shù)據(jù)中的一個信號的貝葉斯概率，對它的評估需要進(jìn)行大量的高維積分計(jì)算,。通過結(jié)合大量的概率測量,，就可以確定黑洞合并的速率——這是從傳統(tǒng)的交叉相關(guān)方法中無法恢復(fù)的一類信息。他們的方法也可以用來生成更多細(xì)致的信息,，例如隨質(zhì)量變化的黑洞合并率,。

Smith 和 Thrane估計(jì)，改進(jìn)后的搜尋將只需一天的數(shù)據(jù)就能對雙星黑洞背景進(jìn)行可靠測量,，而用交叉相關(guān)方式搜索則大約需要花上四年,！但是，雖然靈敏度得到了巨大提升,，可計(jì)算時間也被大大增加了,，因?yàn)樨惾~斯分析的計(jì)算量是非常高強(qiáng)度的,。盡管如此，研究人員計(jì)算了計(jì)算成本,，確定出這是可以在LIGO與Virgo的計(jì)算機(jī)資源范圍內(nèi)完成的,。LIGO和Virgo正在積極的考慮實(shí)施這種新的分析方法。同時,，它也可能為分析探測器中重疊的信號提供更一般化的方法,，如壽命更長的中子星合并。

雖然或許只有那些首次探測到的信號,，如LIGO在2015年的探測結(jié)果才可以成為頭條新聞,、贏取諾貝爾獎。但是 Smith 和 Thrane 用巧妙的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)表明,，更“溫和”的信號也能提供非常寶貴的信息,。