黑洞模型助力“浮城迷事”引力波的发现

理论物理学家开发的黑洞模型在引力波的发现中起到了指南针的作用。1916年，爱因斯坦在广义相对论的基础上预测了引力波的存在，在大约100年之后，在时空穿越的微弱涟漪才得以发现，先进且经过多次升级的激光干涉仪引力波观测台(aLIGO)第一次实现了对引力波的检测。洛斯·阿拉莫斯实验室的研究员克里斯托弗·佛莱尔长时间从事引力波物理学领域的研究，他解释说科学家已从双脉冲星的观测中找到了引力辐射的间接证据，好像在胡尔斯—泰勒双星系中显示的结果，但aLIGO合作团队第一次直接地探测到了引力波，他们开发的模型和计算非常有效，爱因斯坦的引力波预测是正确的。

洛斯·阿拉莫斯国家实验室主任查理·麦克米兰解释说，引力波的发现凝结了国际科学合作的精神。洛斯·阿拉莫斯实验室的理论天体物理学家、辐射传播以及原子物理在模拟和计算机领域的物理学家共同合作，他们开发了引力辐射的物理模型，科研人员将理论物理模型和直接的观测信号进行比较，引力波的信号特征如同在引力波物理学教科书中描述的那样。洛斯·阿拉莫斯实验室形成了学科交叉或跨学科的研究方法和特色，研究人员为基础性的重大物理学课题做出了独特性的贡献。

引力波事件源自一系列的天文事件，被称为紧凑物体的合并者，它们通常涉及由中子星和黑洞构成的双天体系——双中子星和双黑洞系，实际观测的天体是两个黑洞的合并者，引力波的发现证明了aLIGO可以探测紧凑天体的合并者。以前探测的两颗中子星的合并者，科学家似乎遵循了同样的探测过程，研究人员开发的物理模型预测了两种可能发生的合并事件。之前观测到了双中子星的合并者，有助于他们理解很多物理学和天文学的信息，在引力波检测的展望上具有无限畅想的重要意义。

在洛斯·阿拉莫斯和其它实验室的电磁波跟进研究中，科学家关注的焦点置在于：如何从双中子星的碰撞与合并事件中得到主要的信息？计算机科学家、物理学家和天文学家对双中子星合并现象的研究进行了很多年，积累了很多科学观测的经验。在学科交叉的基础上使用计算机模拟技术，在对双中子星合并者的观测中获得了对基础性物理学更为清晰的认识。aLIGO 由两套相距遥远的激光干涉仪组成，一套干涉仪设在在华盛顿州的汉福德，另一套干涉仪设在在路易斯安那州的利文斯顿，同样的干涉仪按同样的指令进行操作，以探测可能经过的引力波为目标。研究人员根据模型的推断，在合并过程最后的并合阶段，引力波的产生是可能的。两套相同的激光干涉仪相距较远，激光干涉仪探测器的设计目标是直接探测时空的引力波涟漪。

除了探测引力波信号之外， aLIGO 为天体物理学的瞬态研究开启了一扇窗口。全世界的天文学家都在研究aLIGO的观测数据如何和射电望远镜、伽玛望远镜的观测数据相匹配。如何将aLIGO的观测数据应用到宇宙大爆炸事件一类极端物理学的研究中。获得引力波源的观测数据和建立理论模型，这是一项十分艰难、注重细节性的科学使命，建构多重物理学相结合的理论模型，但开展物理学新领域的研究潜力巨大，彻底认识天体物理学的瞬态现象。洛斯·阿拉莫斯的科学团队在解决问题的实验中积累了经验，实验室理论天体物理学中心的研究人员开展了多方面的努力，对合并事件的很多方面进行了探索，对物体在极端条件下表现的物理学和天体物理学的瞬态和其它特性进行了探测。

研究人员将合并者的初始态作为一项研究课题，怎样的天体系统最有可能演变为一个双黑洞系，终于取得了第一次探测的成果，如此的天体系统如同理论模型分析的情形。随着aLIGO国际合作团队发现更多的合并者事件，科学家可以探索恒星演变的更多方面。实验室团队成为了LIGO国际团队的一部分，研究人员来自很多不同的物理学和天文学领域，其中包括了致密态核物质、双恒星演变、咖玛射线暴和多重物理学交叉的计算机模拟。佛莱尔擅长如何确定引力波探测数据的物理学含义，阿拉莫斯实验室的科学团队使用了大整合技巧，模拟了两颗中子星的合并结果，这同样适用于对两个黑洞合并的模拟。

实验室大科学团队的成员确定了物理统计学的可能性：合并后的天体遗存可以存在三种形态：1) 两个合并的天体直接塌缩成一个黑洞；2) 在一个延迟期之后塌缩成一个黑洞：3)塌缩成一个中子星，仍然保持中子星形态。合并后的核心体是一个黑洞，还是一颗中子星？这要依靠它的质量是否高于其中的一颗最大中子星的质量。

（编译：2016-3-7）