康奈尔大学的研究从引力波数据中发现了双黑洞中自旋轨道共振的第一个潜在迹象，这是朝着理解超新星机制和天体物理学中其他重大问题迈出的一步。

“这些共振是十多年前使用爱因斯坦的广义相对论预测的，”天体物理学家 Vijay Varma 说。作为文理学院 (A&S) 的前 Klarman 博士后研究员，Varma 分析了激光干涉引力波天文台 (LIGO) 和处女座引力波探测器探测到的引力波，以了解有关双黑洞的更多信息。“我们在来自 LIGO 和 Virgo 的引力波数据中发现了共振的第一个‘暗示’。”

Varma 说，黑洞自转的速度揭示了它的历史：对于排列成交互对的黑洞，称为双星，每个黑洞自转的方向也具有启示性，尤其是相对于彼此而言。

在 1 月 19 日发表在《物理评论快报》上的“二元黑洞群中自旋轨道共振的提示”中，Varma 和合作者报告说，当投影到轨道平面上时，两个黑洞的自旋往往是反平行的彼此，这可能是自旋轨道共振的标志。Varma 说，需要更多的观察来证实这些趋势。

Varma 在担任 Klarman 研究员期间进行了大部分研究。他现在是马克斯普朗克引力物理研究所的玛丽居里研究员。这项工作的合作者包括麻省理工学院的 Syliva Biscoveanu、Maximiliano Isi 和 Salvatore Vitale，以及熨斗研究所的 Will Farr。

“共振效应在物理系统中无处不在。当系统中的两个过程以特殊相关的频率发生时，它们就会发生，”康奈尔大学 Varma 的导师，汉斯·贝特物理学教授 (A&S) 索尔·特库尔斯基说。“在维杰正在研究的黑洞系统中，预计黑洞的自旋运动和它们的轨道运动之间会发生共振，并在产生的引力波上留下印记。这项工作表明，如果我们巧妙地分析数据，我们比我们想象的更接近于测试广义相对论的这一预测。”

Varma 说，黑洞通常会旋转(自转)，因为它们是由自转的垂死恒星形成的。当两个这样的黑洞在双星中相互绕行时，它们的自旋与轨道相互作用。

Varma 说，双黑洞会因引力波而失去能量，导致黑洞相互靠近并最终合并。一些双黑洞自旋沿轨道角动量或与轨道角动量相反方向排列，导致在固定平面上“平淡”的合并。但其他双星黑洞的自旋相对于轨道角动量倾斜，引发了一种称为岁差的错综复杂的相互作用。

“当自旋相对于轨道角动量倾斜时，轨道会像沿倾斜轴旋转的顶部一样进动，”Varma 说。

Varma 说，自旋轨道共振可能发生在进动双星中，但这取决于超新星机制的性质，超新星机制从它们的恒星祖先产生黑洞。如果超新星的发射在所有方向上都不是对称的，那么黑洞在出生时就会获得一个反冲速度，这类似于开枪的反冲。

“如果超新星的后坐力足够大，双星最终可能会发生自旋轨道共振，”瓦尔马说。“这些是特殊配置，其中轨道平面中的自旋方向要么平行，要么反平行。”

人们认为 LIGO 和 Virgo 引力波探测器不够灵敏，无法捕捉到自旋轨道共振的证据。然而，Varma 和合作者应用了两个数据收集技巧来检测这些最初的提示。

首先，Varma 应用了基于黑洞模拟的计算机建模。

“Vijay 是开发所谓的‘代理模型’的世界专家，”Teukolsky 在 2020 年的一次采访中说。

Varma 说：“这些模型从数值模拟中准确地捕捉到了自旋的影响。它们使我们能够从引力波观测中提取尽可能多的信息。”

其次，研究人员学会了在黑洞合并之前测量自旋，而不是在合并之前测量许多轨道的自旋的标准做法。这种晚期自旋测量方法是 1 月 19 日发表在物理评论 D上的配套论文“测量双黑洞轨道平面自旋方向”的主题。

“我们开始探索自旋轨道共振，我们最初认为在 2030 年代下一代探测器到来之前这是不可能的，”Varma 说。“我们希望通过研究这些自旋轨道共振，我们可以更多地了解超新星的机制，这仍然是一个不朽的谜团。”