3月31日，北京師范大學(xué)物理與天文學(xué)院胡彬教授課題組與寧波大學(xué)蔡榮根院士團(tuán)隊在《自然·天文》發(fā)表最新成果，提出了基于透鏡相干效應(yīng)的強(qiáng)透鏡引力波認(rèn)證新方法。該方法通過識別強(qiáng)透鏡引力波中所存在的內(nèi)稟波形畸變，能夠顯著降低強(qiáng)透鏡引力波認(rèn)證誤報率。
透鏡引力波信號的藝術(shù)圖。（胡彬供圖）
論文通訊作者胡彬告訴《中國科學(xué)報》，該研究的意義遠(yuǎn)不止于提出了一種認(rèn)證強(qiáng)透鏡引力波的新方法，還揭示了強(qiáng)透鏡引力波研究星系內(nèi)天體質(zhì)量和空間分布的能力，這為探測中等質(zhì)量黑洞、死亡大質(zhì)量恒星遺跡等目前電磁觀測極難捕捉的天體系統(tǒng)，提供了一個全新手段。在不遠(yuǎn)的將來，人類或?qū)⒔柚Σ?，洞察宇宙更多的深層奧秘。
自2015年人類首次探測到引力波信號以來，LIGO、Virgo和KAGRA（LVK）引力波聯(lián)合團(tuán)隊已累計確認(rèn)百余例引力波事件。隨著探測數(shù)據(jù)的快速增長，強(qiáng)透鏡引力波時代即將到來。
強(qiáng)透鏡引力波是指受大質(zhì)量天體（如星系或星系團(tuán)）引力透鏡效應(yīng)影響的引力波事件。這類信號因其高精度時間測量，具有重要的宇宙學(xué)研究價值。然而，引力波空間定位精度較差，普遍在數(shù)平方度至數(shù)十平方度范圍，且參數(shù)估計誤差難以完全區(qū)分所有引力波信號，這導(dǎo)致通過尋找”雙胞胎”或"多胞胎"信號的傳統(tǒng)強(qiáng)透鏡認(rèn)證方法誤報率太高，面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
為解決強(qiáng)透鏡引力波認(rèn)證疑難，近年來，科研人員在多像認(rèn)證法基礎(chǔ)上引入輔助判據(jù)：要求多像引力波間的時間延遲分布須符合星系透鏡模型預(yù)測，并存在特定相位差。然而這些改進(jìn)方案仍未能突破認(rèn)證困境。
為攻克這一難題，聯(lián)合研究團(tuán)隊關(guān)注到，當(dāng)引力波穿越透鏡星系時，會不可避免地受到星系內(nèi)恒星、黑洞等致密天體的微引力擾動，進(jìn)而在波形中產(chǎn)生微角秒量級的相干效應(yīng)特征，此特征是強(qiáng)透鏡引力波所獨有的特殊信號。
除此之外，研究團(tuán)隊進(jìn)一步構(gòu)建了首個從強(qiáng)透鏡引力波認(rèn)證到宿主星系識別的完整技術(shù)體系。研究發(fā)現(xiàn)，通過聯(lián)合運用第四代巡天望遠(yuǎn)鏡（如中國空間站望遠(yuǎn)鏡）與新一代高分辨率空間望遠(yuǎn)鏡（如詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡），結(jié)合強(qiáng)透鏡引力波的時間延遲信息，可唯一確定強(qiáng)透鏡引力波的宿主星系。該方案為開展強(qiáng)透鏡引力波的宇宙學(xué)應(yīng)用建立了系統(tǒng)的理論框架和實證方法。
