Biu~引力波又来了 (⊙o⊙)

引力波 黑洞 探测 信号 质量 爱因斯坦 事件 两个

06-16 09:54 中科院物理所 (cas-iop) 学术

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这张示意图展示的是黑洞合并过程产生的时空涟漪--引力波,其正从合并发生区域向周围空间传播。此次LIGO探测到的黑洞合并事件牵涉到两个质量分别为14倍和8倍太阳质量的黑洞,它们合并之后形成了一个质量为21倍太阳质量的新黑洞


6月16日凌晨1:15,正在美国圣迭戈参加再次召开的第228届美国天文学会的LIGO科学合作组(LSC)和Virgo合作组的科学家举行新闻发布会,报告他们再次探测到引力波信号的消息。

这是两个遥远的黑洞相互合并过程所产生的时空扰动,该事件的涟漪穿越宇宙,被地球上的人们探测到。此番再次探测到引力波信号证明引力波信号的探测并非罕见事件,有理由预期未来还将有更多探测案例的出现,从而真正开启一个崭新的引力波天文学时代。



来自爱因斯坦的圣诞礼物



再次探测到的引力波信号编号为GW151226,它是在2015年12月26日国际标准时03:38:53探测到的,信号显示,两个质量分别为大约14倍和8倍太阳质量的黑洞在合并之后形成了一个质量约为21倍太阳质量的黑洞,显示有大约1倍太阳质量的物质被以引力波的形式释放出去,项目研究人员称这次的信号是"来自爱因斯坦的圣诞礼物"。


在发布会一开始就由美国路易斯安那州立大学的LIGO科学合作组发言人加布艾拉·冈萨雷斯女士女士(Gabriela González)开门见山地宣布了再次探测到引力波的消息。 这是他们自从今年2月份宣布首次探测到引力波信号以来再次宣布探测到引力波信号。



艺术示意图:LIGO探测到两个正在合并过程中的黑洞



检验爱因斯坦的预言



引力波是时空的涟漪,它是由宇宙中的一些最为剧烈的事件产生的,如大质量致密天体的碰撞或合并事件。引力波的存在早在1916年便已经由爱因斯坦预言,当时爱因斯坦证明了加速下的大质量物体将会扭曲时空,并产生从该源头发出的时空涟漪。这种"涟漪"将以光速穿过宇宙,携带着关于产生它们的那次灾难性事件和引力本质的珍贵信息。

 
当爱因斯坦最早提出他的广义相对论的时候,他彻底革新了我们原先对于时间与空间的概念理解。我们此前一直认为空间是恒定而不变的,物质和能量存在于其中。但爱因斯坦的理论指出空间实际上与能量和质量之间都是相互联系的,并且随着时间推移空间也在发生变化。


如果只存在一个质量物体,静止地存在于时空之中(或者处于匀速运动状态),那么它所处的时空不会发生变化。但如果你加入第二个质量物体,那么这两个物体之间就会发生相互运动,互相会向对方施加一个加速度,在这一过程中也就将造成时空结构的改变。更加重要的是,由于存在一个大质量粒子在引力场中运动,广义相对论指出这一大质量物体将会被加速,并释放一种特殊的辐射:引力辐射。




这种引力辐射与你所知的其他任何种类的辐射都不同。它会以光速穿越空间,但它本身又是空间中的涟漪。它从被加速的物体带走能量,这就意味着,如果这两个质量物体处于相互运行的轨道之中,那么随着时间推移这个轨道将会逐渐收缩,这两个质量物体之间的距离将逐渐缩短。


不过不要太过担心,对于像地球围绕太阳运行这样一个系统,相对而言这两个天体的质量还太小,而两者之间的距离又非常巨大,因此在引力波耗散能量的条件下,这个轨道也将需要经过10的150次方年才会衰减崩溃,如此长的时间早已远远超过了宇宙的年龄,事实上这也远远超过了已知所有恒星的寿命!然而对于相互绕转的黑洞或中子星而言,它们之间存在的轨道衰减效应则已经被观测到了。


科学家们认为宇宙中可能还存在着我们尚未探测到的更高能的事件,如黑洞的相互合并。这类事件应该会产生某种特征信号,而这样的信号是可以被"先进LIGO"系统捕捉到的。



LIGO已经大大增加了已知质量的黑洞数量。这一探测器已经确凿无疑地探测到了两次引力波事件,对应两次独立的黑洞合并事件(如图所示,两个较小质量的黑洞合并成为较大质量的黑洞)。在每一次事件中,LIGO都精确测定了参与事件黑洞各自的质量以及合并后黑洞的质量。图中虚线标出的是LIGO探测到的一次疑似事件,其由于信号太过微弱而未能得到确认



洞察宇宙阴暗面



亚利桑那州立大学理论物理学家劳伦斯·克劳斯(Lawrence-Krauss)表示:"引力波探测将让我们得以窥探宇宙的黑暗一面。引力波天文学将成为21世纪的天文学。"科学家们能够运用这些数据来推测产生引力波信号GW150914的天体系统的一些特征,包括这两个黑洞在相互合并之前各自的质量大小,合并后形成的单一黑洞质量大小以及这一双黑洞系统到地球的距离远近等等。


对首次引力波探测信号的分析结果显示,GW150914是由两个质量分别为36倍以及29倍太阳质量的黑洞合并而成的,合并后形成的单一黑洞质量约为62倍太阳质量。另外,我们还推定这一合并后产生的黑洞存在自转,这种自转的黑洞最早是在1963年由数学家克尔(Roy-Kerr)提出的。因此可以说,LIGO探测设施此次是探测到了发生在很久很久之前,在一个遥远星系中发生的一次重大事件!


如果我们将合并之前和之后的黑洞质量进行比较,就会发现这一黑洞的合并过程将大致相当于3个太阳的质量(约合600万亿亿亿千克)转化成了以引力波形式散发出去的能量,其中绝大部分在一瞬间便被辐射了出去。相比较之下,太阳每秒钟只会将自身质量的大约5万亿亿分之一转化为电磁辐射。事实上,GW150914所发出的引力波的辐射功率要比整个可观测宇宙中所有恒星和星系的光度加在一起的总和还要多出10倍。



今日凌晨发布会现场发布的此次引力波事件的信号图



什么是引力波



引力波是时空的涟漪,它是由宇宙中的一些最为剧烈的事件产生的,如大质量致密天体的碰撞或合并事件。引力波的存在早在1916年便已经由爱因斯坦预言,当时爱因斯坦证明了加速下的大质量物体将会扭曲时空,并产生从该源头发出的时空涟漪。这种"涟漪"将以光速穿过宇宙,携带着关于产生它们的那次灾难性事件和引力本质的珍贵信息。


在过去的数十年间,天文学家们已经找到大量证据证明引力波的存在,主要手段是通过引力波对银河系中近距离绕转天体运动产生的影响所开展的相关研究。这些间接研究的结果与爱因斯坦在100年前的预言吻合度相当好,如在考虑引力波带走能量的情况之后,这类天体轨道的衰减过程完全符合爱因斯坦理论的计算结果。

然而,从地球上直接探测引力波的信号尽管长期以来广受科学界期待,但却一直未能实现突破。之所以科学家们如此期待这项突破,是因为这将提供对于爱因斯坦广义相对论新的,且更为直接的检验,并开启人类研究宇宙的全新大门。

科学家们希望他们能够获得更多的案例,从而能够开展对黑洞合并频率的研究,并帮助他们检验一些极端环境下物理理论的正确性,甚至可能引出更加深层的自然本质理论。


LIGO科学合作组发言人加布艾拉·冈萨雷斯女士表示:"我们的计划并非仅仅是探测到首次引力波信号,也并非想要去证明爱因斯坦是正确的或是错误的,我们想要做的是创建一个天文台。"她说:"此时此刻,我们才可以说,LIGO的目标已经真正达成了。"


有关这项发现的论文已经在《物理评论快报》上发表,这是LIGO的第二次引力波探测事件。与此同时项目组此前还曾经遭遇到另外一次"疑似信号",由于该信号太过微弱而无法确认。

研究组已经在今年2月份的那次发布会中介绍了有关情况。亚利桑那州立大学理论物理学家劳伦斯·克劳斯表示:"引力波探测将让我们得以窥探宇宙的黑暗一面。引力波天文学将成为21世纪的天文学。"



这张图展示的是LIGO两次确认探测结果以及一次疑似结果的日期,后者由于信号太过微弱而未能得到确认。这三次事件编号和具体日期为:GW150914 (Sept。 14, 2015), LVT151012 (Oct。 12, 2015)以及GW151226 (Dec。 26, 2015)。所有三次事件都是在为期4个月的"先进LIGO"设施首次试运行阶段探测到的



两次探测到的引力波信号有啥不一样?



此次新发现的引力波信号源自大约14亿年前的一次黑洞合并事件,两个参与合并事件的黑洞质量大约分别为14倍和8倍太阳质量,它们不断相互绕转并最终合并。信号显示这两个黑洞合并之后形成了一个质量约为21倍太阳质量的新黑洞,这就意味着在一瞬间有大约和一个太阳质量相当的能量被转化为引力波的形式释放了出去。


和LIGO的第一次探测相比(当时探测到的信号来自两个大约30倍太阳质量的黑洞),此次探测到的信号频率更高并且持续的时间也更长。在首次引力波探测信号中,科学家们只观测到两个黑洞碰撞合并之前的最后一圈或是两圈绕转过程,而此次科学家们一共追踪到两个黑洞合并之前的最后27圈相互绕转。冈萨雷斯表示:"这将让我们能够更为精确地检验爱因斯坦的广义相对论并对黑洞的各项参数做更加精确的估算。"


此次,研究组同样有机会对参与合并黑洞的自旋情况进行观测,结果显示至少那个质量较大的成员黑洞存在自旋,速率约为黑洞自旋理论最大速率的20%左右。LIGO项目组成员,美国西北大学的维基·卡罗基拉表示:"如果光从首次引力波探测信号来看,参与合并的两个黑洞似乎是不存在自旋的,那么从这个角度来说,此次属于新发现。"





此次LIGO探测到的引力波信号来自两个互相绕转并最终合并的黑洞。最上方演示的是这两个黑洞的实际运行情况,下面分别展示LIGO探测器采集的到的引力波信号和频率变化,可以看到频率从最初的35Hz一路飙升到大约700Hz



第二次探测到引力波信号的意义



和LIGO的第一次探测相比,此次探测到的信号频率更高并且持续的时间也更长,表明参与合并的黑洞质量更小。测算显示两个黑洞的质量分别为14倍和8倍左右太阳质量,合并之后形成一个质量约为21倍太阳质量的黑洞。


另外,在首次引力波探测信号中,科学家们只观测到两个黑洞碰撞合并之前的最后一圈或是两圈绕转过程,而此次科学家们一共追踪到两个黑洞合并之前的最后27圈相互绕转。研究人员表示:这将让我们能够更为精确地检验爱因斯坦的广义相对论并对黑洞的各项参数做更加精确的估算。


此次,研究组同样有机会对参与合并黑洞的自旋情况进行观测,结果显示至少那个质量较大的成员黑洞存在自旋,速率约为黑洞自旋理论最大速率的20%左右。LIGO项目组成员,美国西北大学的维基·卡罗基拉(Vicky-Kalogera)表示:"如果光从首次引力波探测信号来看,参与合并的两个黑洞似乎是不存在自旋的,那么从这个角度来说,此次属于新发现。"


此次发布会的一开始,LIGO科学合作组发言人,美国路易斯安那州立大学的加布艾拉·冈萨雷斯女士女士(Gabriela-González)就开门见山地宣布了再次探测到引力波的消息。并且这次事件被探测到的事件点也很有趣,正好是在圣诞节刚过,因此这一发现也被很多人视作是上帝给予辛勤工作的科学家们的一份"圣诞节特别礼物"。


再次探测到引力波信号的另外一大意义就在于,它能够帮助我们估算黑洞合并事件的发生概率,因为一次探测可能只是孤例,而此番再次探测到引力波信号则证明引力波信号的探测并非罕见事件,有理由预期未来还将有更多探测案例的出现,从而真正开启一个崭新的引力波天文学时代!


请闭上眼睛,再次想象一下: 14亿年前,在遥远的宇宙深处有两个黑洞发生相互合并,这一过程产生的时空涟漪穿越广袤宇宙,终于被地球上的我们探测到。这究竟是科幻还是现实?



这是南半球天空示意图,标出的位置是LIGO探测器在2015年12月26日探测到的引力波信号在天空中的大致来源方位。不同的颜色线条范围代表可能性的高低:最外侧紫色线条圈定的范围代表大约90%置信度,内部黄色线圈定的范围代表的则是10%置信度水平,可见误差率还是相当大的


截止目前,LIGO探测器探测到的两次引力波信号大致来源方位示意图。同样的,不同的颜色线条代表不同的置信度水平:最外侧紫色线条圈定的范围代表大约90%置信度,内部黄色线圈定的范围代表的则是10%置信度水平


关于LIGO 你了解多少?


LIGO外观

当麻省理工学院和加州理工学院的科学家计划用激光干涉的方法来寻找引力波时,很多研究者是极力反对的。反对者担心这会让大量资金打了水漂--建造这类探测器需要极大的投入,但可能什么都找不到。


然而,美国国家科学基金会(NSF)最终于1990年批准了激光干涉引力波天文台(LIGO)的建造,并在1992年确定了两座探测器的选址:华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿。探测器的建设于1999年完工,并于2001年开始收集数据。然而,之后的9年内,LIGO什么都没有找到,而它也于2010年被关闭,等待升级重启。

在2010年关闭并开始升级的LIGO最终于去年9月重启。升级后的高级LIGO探测引力波的能力大大提升,并在刚刚开始运行的阶段就找到了来自两个正在并合的黑洞所产生的引力波,给一个世纪之久的引力波搜寻历史画上了圆满的句号。



LIGO Laboratory

今天凌晨发布会上宣布探测到的引力波信号实际是在2015年12月26日被探测到的,当时距离去年9月14日首次探测到引力波信号仅仅才过去了3个月左右。LIGO利用两台分别位于路易斯安那和华盛顿州的探测装置捕捉到了穿过地球的时空涟漪。


这两台探测器都是巨大的L型结构,臂展有4公里长。科学家们让激光在这些长臂内部的反射镜上来回反射并精确测定来自两个长臂的反射激光之间的干涉效应,从而测量长臂所出现的任何极其细微的空间变化。


在正常情况下,两条长臂应该是完全等长的,因此激光束在两条长臂中传播所花费的时间是一样的。然而一旦有引力波穿过探测器,在一个方向上的长臂长度就会被压缩,而在另一个方向上的长臂则会被拉伸,从而导致两束激光束传播的时间长度出现差异, 当它们反射回来并汇合时,就会出现干涉条纹。


这样的长度变化将是极其细微的--LIGO装置必须能够测出相当于一个质子直径万分之一不到的长度变化,才可能检测到引力波信号。这台价值10亿美元,经过技术改进之后的所谓"先进LIGO"实验设施是此前较老版本的升级版。这一探测装置的构想最早在上世纪1960年代便已经出现了,最初版本的LIGO装置在2002年建成并投入使用。


今年2月份LIGO团队发现引力波的消息瞬间引爆了整个学界,并引发全球媒体的极大关注,同时也为研究团队赢得了科维理天体物理学奖、科学突破大奖以及其他很多重要的科学奖项。


基于那次发现已经发表了数十篇科研论文,对首次引力波探测的方方面面进行了详细的讨论和分析,从信号探测中可能包含的黑洞与暗物质之间联系的信息,再到怀疑产生引力波信号的或许根本就不是黑洞,而是虫洞等等。


美国哥伦比亚大学的LIGO团队成员萨布里克·玛卡表示:"最有趣的工作是由LIGO项目组之外的科学家们完成的。"他说:"而这正是科学应有的方式。"

引力波天文学的黎明



"先进LIGO"设施目前还仅仅是在升级之后完成了其首次试运行,该次试运行时期从去年9月份开始,一直持续到今年1月份。其探测器目前已经处于停机升级状态,预计将在今年7月份进行一次测试开机。如果一切顺利,那么第二次试运行预计将从今年夏末开始,持续大约6个月。

与此同时,研究组的科学家们继续对首次试运行期间积累的大量研究数据进行分析。除了黑洞合并产生的引力波信号之外,科学家们还希望未来能够探测到中子星产生的引力波信号--后者是一类密度极高,体积很小的恒星残骸,其中的质子和电子在 强大压力下被挤压到一起成为中子。



这一三维投影地图展示的是LIGO全部三次引力波探测信号(包括两次确凿的引力波信号探测和一次疑似信号探测结果)的可能信号源位置。两次确认的引力波信号分别是GW150914(绿色)和GW151226(蓝色),图中第三个区域代表的则是一个疑似信号(LVT151012,红色)。图中不同颜色线条区域代表不同的置信度水平:最外侧线条代表大约90%置信度,最内侧则代表大约10%置信水平


如果两颗中子星相互合并,理论上它们也会产生引力波信号。美国乔治亚理工学院的物理学家,LIGO数据分析委员会主席劳拉·加多那提表示:"这不会像黑洞合并那样是一类爆炸性的事件,它们产生的引力波会微弱的多。这将是一场长期的搜索,需要花费时间,目前我们仍在对此展开尝试。"


随着研究组获得的数据越来越多,他们希望能够加深对于双黑洞系统成因的理解,或许最大的可能性是:它们原本就存在于一个双星系统中,当两颗恒星全都死亡之后,剩下的两个黑洞就构成了双黑洞系统。

另一种理论则认为双黑洞系统产生于密集的星团之中,当恒星死亡之后形成单个的黑洞,随后在各自的引力作用下相互接近并成为双黑洞系统。卡罗基拉表示:"这是我主要的兴趣所在--我们能够最终弄清楚双黑洞系统究竟是如何形成的,这两种理论究竟哪一种是对的?或者说这两种机制都存在?"



正在对LIGO设施进行技术升级工作的工程师


随着LIGO发现越来越多的引力波事件案例,科学家们也将拥有更多样本,用于对爱因斯坦的广义相对论中所包含的相关预言进行更加精确的检验。尽管绝大多数科学家相信广义相对论肯定将能够顺利通过任何检测--毕竟此前已经有那么多的检验都证明了它的正确性,但是科学家们还是非常希望能够发现与理论预言的任何偏离,因为这可能就意味着发现更深层次科学原理的机会,这或许将能够帮助科学家们最终实现引力与量子力学之间的统一。

加多那提表示:"到目前为止我们还尚未发现任何与广义相对论不符的情况。但如果我们开始观测到任何不吻合,我们或许就将迎来超越广义相对论的崭新时代。"


不管如何,科学家们还是希望LIGO已经取得的这两次发现将只不过是一个长期和高产科学实验设施的"小试身手"。正如玛卡所说的那样:"为这个项目,科学家们已经奋斗了三代人,未来还将至少有三代科学家继续开展这项工作。我们正身处在这中间位置,真是美妙极了!"

最后要提一句,除了意大利和法国的VIRGO,日本的KAGRA,还有计划在印度修建的第三个LIGO探测器外,中国也提出了空间太极计划探测中低频波段引力波和中山大学发起的天琴计划探测引力波,越来越多的国家和科学家正在共同参与到引力波的研究中来。


来源:新浪科技



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