解读 | LIGO又一次探测到双黑洞并合产生的引力波,这意味着什么?

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06-16 23:33 科技大观 (chuangyexinxiu) 创业

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北京时间今天(2016年6月16日)凌晨,LIGO合作组宣布:2015年12月26日03:38:53 (UTC),位于美国汉福德区和路易斯安那州的利文斯顿的两台引力波探测器同时探测到了一个引力波信号;这是继 LIGO 2015年9月14日探测到首个引力波信号之后,人类探测到的第二个引力波信号。


和第一次引力波信号相同,这次的引力波来自两个黑洞的合并。但第一次引力波信号来自两个稍重的黑洞合并,而这一次的引力波信号来自大约14亿光年外,两个更常见的、恒星级质量的黑洞合并(两个黑洞分别为8和14倍太阳质量)。LIGO 探测到的这次引力波大约持续了1秒钟,这次双黑洞合并把大约一个太阳的质量转换为纯能量,以引力波的形式释放出来。



图1: 位于美国的汉福德区和路易斯安那州的利文斯顿的两台仪器探测到的引力波信号。


引力波是什么?


根据爱因斯坦的广义相对论,时空是一个整体,其中的大质量天体会让时空产生弯曲。如果把时空中运行的天体想象成蹦床上玩耍的孩子们,那么在时空上传播的引力波就如同由于孩子的蹦跳而激起的在蹦床表面的颤动。当两个黑洞相互绕转并最终碰撞在一起时,巨大的引力波向四面八方传播开,这就像在蹦床的中心有两个小胖子在使劲地跳跃,颤动就以波的形式向外传递。


当蹦床上的颤动传递到蹦床上远处两个静止不动的蚂蚁处时,这两只蚂蚁之间的相对距离也被迫发生改变。类似地,在宇宙中原本静止的两个物体,因为引力波的到来而发生了相对位置的改变,这就是引力波探测器的工作原理。


LIGO是怎么探测引力波的?



位于美国的LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,激光干涉仪引力波天文台)和位于欧洲的 Virgo (Virgo interferometer,处女座干涉仪) 是世界上两个正在运行的大型引力波探测装置。它们的工作原理大体相同,即通过激光干涉的方法测量出两面相距数公里的镜子之间相对位置的变化,并以此来感知引力波的存在。LIGO 有两台分机,分别建在美国的汉福德区和路易斯安那州的利文斯顿。LIGO 在2015年九月份经过升级改造重新开机后不久,就首次探测到了来自13亿光年外两颗中等质量黑洞的合并发出的引力波信号,从而开启了引力波天文学时代。Virgo 建造在意大利的卡系纳,也即将完成升级改造,使其具有更高的灵敏度。


这次的新发现有什么意义?


由于这次的引力波信号来自两个更小的黑洞合并,因此信号强度也比上一次的更弱。尽管如此,这次信号的置信概率也达到了5.3个sigma以上,满足了科学上确认"发现"的要求(5个sigma以上)。通过对比两台LIGO分机记录到的引力波到达时间,科学家可以大致确定出此次引力波的位置。因为这次的引力波信号几乎同时到达两台分机,因此科学家认为合并的两个黑洞大致位于天空中到两台仪器距离相同的一个带状区域。未来Virgo 以及第三台LIGO的加入,将会大大提高引力波的定位精度。


在LIGO完成升级之前,科学家们即预测升级后的LIGO可以做到平均数月即发现一个引力波事例。在LIGO升级刚刚完成,还处在试运行阶段的9月,它就记录下了人类发现的第一个引力波信号GW150914。随后天文学家用工作在各种波段的望远镜,包括射电、光学、X射线以及Gamma 射线望远镜都进行了观测,试图找到GW150914的对应体,但可惜一无所获。时隔三个半月之后的第二次引力波信号,与先前科学家估计的LIGO发现引力波的事件率吻合,这也在一定程度上消除了人们对第一次引力波信号的怀疑。


另外,通过这一次的引力波信号,科学家推测出其中一个参与并合的黑洞具有很高的自转速度 (大约达到其极限自转速度的60%),这意味着这个黑洞可能经历了吸积过程。而吸积过程将释放出X射线信号,因此这一次,天文学家有可能找到它在电磁波段的对应体,从而精确地定位出这个引力波源的位置。


引力波天文学,未来可期


现在LIGO又进入了新一轮的升级,在其重新开始探测,并且Virgo也升级完成、加入探测之后,我们可以期待新的引力波信号会像井喷一样出现。这将刷新我们对宇宙中黑洞性质、数量、分布等的认知。


如果说LIGO第一次探测到引力波标志着人类第一次听到宇宙的声音,那么第二次探测到双黑洞并合事件就意味着引力波探测能成为科学家研究天体现象的常规工具,引力波天文学正式开启。尽管探测到来自黑洞合并的引力波已经是一件大事情了,但毕竟目前为止所探测到的信号仍然处在科学家的预测范围之内,在计算机模拟中"司空见惯"了,只是起到了验证的效果。引力波天文学最激动人心的事情,是探测到科学家从未见过的全新引力波信号,而这一时刻尚未到来!



来源:环球科学ScientificAmerican(ID:huanqiukexue)

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