在過去的七年裡，LIGO-Virgo Collaboration（簡稱LVC）的科學家們已經探測到了90個引力波信號。引力波是時空結構中的擾動，它從雙體黑洞(BBH)合併等災難性事件中向外奔跑。在最近一次實驗運行的前半段的觀測中，該合作組織報告了來自44個BBH事件的信號，該實驗在2019年持續了6個月。

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但異常值隱藏在數據中。為了擴大搜索範圍，一個國際天體物理學家小組重新審查了數據，結果發現了10個額外的黑洞合併，它們都在LVC最初分析的檢測閾值之外。這些新合併暗示了奇異的天體物理情景，目前只有使用引力波天文學才能研究這些情景。

領導這項新分析、來自普林斯頓大學博士候選人的物理學家Seth Olsen表示：“通過引力波，我們現在開始觀察在過去幾十億年里合併的各種各樣的黑洞。”他指出，每一次觀測都有助於了解黑洞是如何形成和演變，而識別它們的關鍵是找到有效的方法將信號與噪音分開。

Olsen將於4月11日在2022年美國物理學會四月會議的一個會議上介紹了其小組是如何發現這些合併的。另外他還將在美東部時間4月11日上午10點的在線新聞發布會上回答媒體的問題。

值得注意的是，觀測結果包括來自高質量和低質量黑洞的現象並填補了黑洞質量譜系中預測的空白，在那裡很少有來源被檢測到。大多數核物理模型表明，恆星不可能坍縮成質量約為太陽質量50至150倍的黑洞。“當我們在這個質量範圍內發現一個黑洞時，它告訴我們這個系統是如何形成的還有更多的故事。因為很有可能一個上層質量差距的黑洞是以前合併的產物，”Olsen說道。

另外，核物理學模型也表明，質量比太陽一倍的恆星會成為中子星而非黑洞，但幾乎所有觀測到的黑洞的質量是太陽的5倍多。對低質量合併的觀測可以幫助彌補中子星和最輕的已知黑洞之間的差距。Olsen表示，對於上部和下部的質量差距已經檢測到了少量的黑洞，但新發現表明，這些類型的系統比我們想像的更加普遍。

新發現還包括一個科學家以前從未見過的系統。一個朝一個方向旋轉的重黑洞，其吞噬了一個朝相反方向運行的更小的黑洞。“較重的黑洞的自旋並不完全跟軌道反方向對齊，而是在側向和顛倒之間傾斜，這告訴我們，這個系統可能來自BBH合併的一個有趣的亞群，其中BBH軌道和黑洞自旋的角度都是隨機的，”Olsen說道。

識別像黑洞合併這樣的事件需要一種策略，能從觀測數據的背景噪音中區分出有意義的信號。這跟能夠分析音樂–即使是在嘈雜的公共場所播放的音樂–並識別正在播放的歌曲的智能手機應用沒有什麼不同。正如這種應用將音樂跟模板數據庫或已知歌曲的頻率信號進行比較一樣，尋找引力波的程序則將觀測數據跟已知事件目錄如黑洞合併進行比較。

為了找到這10個額外的事件，Olsen和他的合作者使用“IAS管道”對LVC數據進行了分析。IAS管道在兩個重要方面跟LVC使用的管道不同。首先，它採用了先進的數據分析和數值技術來改進LVC管道的信號處理和計算效率；第二，它使用了一種統計方法，犧牲了對LVC方法最可能發現的源的一些敏感性以獲得對LVC方法最可能錯過的源的敏感性如快速旋轉的黑洞。

在此之前，Zaldarriaga和他的團隊已經使用IAS管道分析了LVC早期運行的數據，並同樣發現了在第一次運行分析中被遺漏的黑洞合併。Olsen表示，模擬整個宇宙在計算上是不可行的，甚至模擬黑洞可能形成的各種驚人的方式也不可行。但他指出，像IAS管道這樣的工具可以為未來更精確的模型奠定基礎。