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LIGO发现引力波,黑洞并合

来源:http://www.abirdfarm.com 作者:betway必威官网手机版 时间:2019-10-05 06:04

本文作者是LIGO科学合作组织成员。

此文为LIGO科学合作组织对此次引力波探测结果的官方解读。

图片 1时隔3个多月,LIGO再次探测到引力波信号,来源于距离地球14亿光年的两个黑洞的并合。图片来源:iop.org

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难得的假期中,辛劳一整年的科学家们终于可以松一口气,将科学暂时抛开脑后,和家人一起欢度佳节,共享天伦之乐。前一天的守夜让他们哈欠连连,他们想要早些休息,有些人更是已经早早入睡。这时,他们的手机不约而同地响起,研究所的探测器那里传来一阵不寻常的警报。他们看着不解的爱人,不舍的孩子,权衡再三,还是毅然决然地顶风冒雪,启程前往研究所……

发表于一百年前的广义相对论被物理学家马克思·波恩誉为“人类认知自然的最伟大业绩”。我们在此报告爱因斯坦理论预言的两个重要科学突破:首次直接探测到引力波和首次观测到双黑洞碰撞与并合。

2015年12月26日,来自LIGO和Virgo合作组织的科学家收到了一份意料之外的圣诞礼物——在首次探测到引力波信号仅3个月之后,高新激光干涉仪引力波天文台(Advanced LIGO)的两个探测器就再次记录到了新的引力波信号。跟上次一样,这一引力波信号源自于两个黑洞即将合二为一之时最后的相互绕转,这种现象被称为并合(coalescence)。尽管这一信号要比首次探测到的引力波信号更弱,但这一新发现的置信度仍然超过99.99999%。

LIGO新闻发布会现场,摄影:崔筝

双黑洞并合示意图 图片来源:SXS

虽然剧情很狗血,但这不是来自科幻小说,也不是来自电影的情节,更不是来自央视对劳模的报道,而是2015年当地时间圣诞节晚上,在LIGO台址工作的部分科学家们真切经历的故事。

图片 4LIGO汉福德(H1,左)和利文斯顿(L1,右)探测器所观测到的GW150914引力波事件。该图展示了在两个LIGO探测器中观测到的由该事件产生的引力波“应变”(见下文)如何随时间(秒)和频率(赫兹)变化。两个图均显示了GW150914的频率在0.2秒内从35赫兹迅速增加到150赫兹。GW150914先到达L1,随后到达H1,前后相差千分之七秒,该时间差与光或者引力波在两个探测器之间传播的时间一致。图片来源:原论文图1

再次探测到引力波,表明这样的灾难性事件在宇宙中相当常见。这也意味着,当美国的高新激光干涉仪引力波天文台和意大利的高新室女座引力波探测器(Advanced Virgo)在升级后于2016年底恢复运行之后,很可能会检测到更多引力波事件。这将帮助科学家更好地理解成对出现的黑洞。

LIGO发现引力波,黑洞并合。编者按:

北京时间6月16日凌晨,美国激光干涉仪引力波天文台与欧洲Virgo引力波探测器在美国天文学会圣地亚哥会议上共同宣布,在高新LIGO探测器的数据中确认了又一起黑洞并合事件。

节礼日的一份大礼

北京时间2015年12月26日上午11点38分53秒,也就是美国东部时间12月25日晚上10点38分53秒,路易斯安那州列文斯顿(Livingston, Louisiana)和华盛顿州汉福德(Hanford, Washington)的激光干涉引力波观测台(LIGO)先后相隔1.1毫秒探测到了由两个黑洞并合产生的引力波信号——GW151226

圣诞节在西方大众,有着相当于春节对于咱们的重要意义;而圣诞节之后的第二天相当于年初二,在西方又叫做节礼日。许多负责台站运行的科学家们在节礼日的凌晨从睡梦中睁开惺忪的双眼,前往台站投入紧张的工作。

天下武功,唯快不破,一切的关键,在时间。引力波信号初步探测到之后,需要尽快检查其是否为仪器噪声或工作异常,并在尽可能短的时间内向同LIGO签署过君子协议的天文学家们分享这一信息,以便他们使用手中的电磁波望远镜进行后续的搜寻和观测。如果说传统电磁波的望远镜给了天文学家以视力,引力波探测器给天文学家以听力,仅仅探测引力波信号不过还是盲人摸象;仅仅观测电磁波现象也只是观看无声电影;只有同时、同地发现引力波信号和电磁波段信号,才是一部天文学家期待已久的视听大片。Fermi卫星的伽马暴监视器曾经报告过一次可能与GW150914成协的伽马射线光子信号,然而别的探测器都不能验证这一探测结果。天文学家热切期待着能探测到与引力波事件成协的电磁信号,以便更细致地研究产生引力波的致密双星系统。怀着这种热情,研究、分析GW151226这一事件的工作有条不紊地开始了。

在圣诞节前后到达地球的这个事件到底有何新奇之处呢?相较今年2月11日宣布探测的GW150914而言,GW151226的质量更小,从这个意义上讲,这一次的信号更加符合之前人们的预期。并合的两个黑洞分别为14.2和7.5倍太阳质量,而最后并合生成的黑洞有20.8倍太阳质量,在短短一秒钟的时间里,相当于一个太阳的质量转化为了能量,以引力波的形式释放出去。而当从14亿光年外传来的引力波 到达探测器时,它的幅度已经减弱许多。

不同于GW150914,内部代号为“节礼日事件”的GW151226引起的时空扰动远远小于噪声的尺度,用耳朵听原始数据根本听不出引力波的存在。事实上,这才是我们预期的常态,反倒是可以听出清晰啁啾信号的GW150914算是出人意料的异类了。反过来想,如果每个信号用耳朵听就能听到,用眼睛看就能看出来,那还有什么必要花费大量的经费开发专门的算法呢?正是因为我们相信大部分信号都会像GW151226一般,隐藏在噪声之中,我们才需要高效而灵敏的程序来搜寻那微乎其微的时空畸变。

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LIGO开发了用于搜寻致密双星并合信号的软件,实时分析来自两个探测器的数据,试图搜索来自这类源的信号。虽然GW151226的强度远远弱于GW150914,但是相对于背景噪声,它依然鹤立鸡群,并且通过了物理领域的黄金标准——五倍标准差——的检验。

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由于产生GW151226的两个黑洞质量相对较低,因此在相同的频率上,它们演化地更慢。从35赫兹开始,在大约1s的时间内,这两个黑洞相互绕转了55圈,达到了450赫兹。在其峰值时,其辐射的功率超过了可观测宇宙中所有恒星和星系辐射能量的总和。

GW150914的信噪比绝大部分来自于并合前的最后数圈,而在铃宕(ringdown)阶段,也积累了一定的能量,可以独立进行分析,并和旋近阶段的分析结果进行比较,以校验其一致性;而GW151226的信号则分散在较长的数据中,并且集中于旋近阶段,其铃宕部分的持续时间则短得多,信号也弱得多,因此无法再进行有效的比较。

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这个被我们命名为GW150914的激变事件,发生于距离地球10亿光年之外的一个遥远星系中。它于2015年9月14日被激光干涉仪引力波天文台(以下简称LIGO)的两个很可能是人类有史以来制造的最灵敏的科学仪器的探测器观测到。LIGO估算出这个双黑洞并合最后时刻所辐射的引力波的峰值功率比整个可观测宇宙的光度(单位时间释放的电磁波能量)还高10倍以上。这个重大的发现意味着令人振奋的天文学新时代的到来,人类开启了一扇观测宇宙的全新窗口——引力波天文学。

黑洞是最大质量恒星演化的最终阶段。其中一些黑洞成对形成,相互旋转,并以引力波的形式损失能量,因而会逐渐靠近,直到抵达一个临界点,令整个过程突然加速。它们最终会并合成一个单独的黑洞。2015年12月26日探测到的引力波信号,就来源于并合之前最后的旋转阶段。

“我们发现了引力波!我们做到了!” 北京时间2016年2月11日23:40左右,激光干涉引力波天文台(LIGO)负责人、加州理工学院教授David Reitze宣布,LIGO发现了引力波。

确认不是孤例

从“第一个”到“下一个”

在高新LIGO运行的第一次观测运行期间,我们发现了两起确定的引力波事件(GW150914和GW151226)和一次疑似事件(LVT151012),通过两个LIGO探测器的同时探测,我们可以大概确定它们的空间方向。然而,这种估计是非常粗糙的。因为这种定位能力取决于两个台址之间的距离,也同时取决于对于黑洞双星并合具体时刻的估计误差。LIGO的两个台址相距较近,特别在信号较弱的情况下,很难精确地确定引力波源的位置。

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预计今年年底上线的高新Virgo探测器虽然比不上高新LIGO那么灵敏,但是第三个探测器的加入会大大提高引力波探测器的空间定位能力。事实上,如果这三个事件发生时高新Virgo也在运行状态, 引力波源空间方向的不确定性将显著缩小。

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在天文学里面,一次探测是发现,两次探测可以谈统计,三次探测就可以谈分布了。虽然略微夸张,但是通过GW151226的发现,标志着LIGO从探测器真正向着天文台的蜕变。我们的关注重点不再是“第一个”,而是“下一个”。

图片 10我们目前发现的恒星级别黑洞,可以看到GW151226和以前所知道的黑洞更一致,而GW150914则重得多。图片来源:gravity.astro.cf.ac.uk

天道酬勤,LIGO和Virgo一千个科学家的努力又换来回报。虽然这个礼物让一些LIGO台址的科学家措手不及,但发生在圣诞节前后的引力波事件,也许是圣诞老人给引力波科学家们最好的圣诞礼物。新的引力波信号的发现,让我们可以更精确地讨论宇宙中的双黑洞并合事件的发生率;也告诉了我们初始黑洞可以拥有不小的自旋。新的信号的探测,让我们相信,第一次探测不是偶然,人类探测到GW150914,并不是运气好,而是仪器升级后功力大增的结果。当今年的LIGO第二次观测运行开始时,当年底Virgo加入联合观测时,当明年高新LIGO完成全面升级大大提高时,人们还会有怎样的新观测,又会解释怎样的新物理,都是未知。而未知,往往蕴含着惊喜。

(编辑:Calo)

引力波:预言中的时空涟漪

引力波是时空的“涟漪”,由宇宙中例如致密星体碰撞并合这样剧烈变化的物理过程产生。爱因斯坦于1916年预言了它的存在。他证明做加速运动的大质量天体可以剧烈地撼动时空,并且空间扭曲的波动将从波源辐射出去。这些以光速传播的涟漪携带了天体源激烈动荡的信息以及关于引力本质的线索。在过去的几十年中,天文学家通过观测银河系中密近双星,已经间接地证明了引力波的存在。双星轨道由于引力辐射带走能量而收缩;观测结果完全符合爱因斯坦的理论预言。但是科学家们一直在热切地期望就和这次重大突破一样在地球上对引力波的直接探测的机会,因为这为我们

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