科学家再次探测到引力波信号：源自14亿年前的黑洞兼并

2016-06-18 6:31:14 暂无评论佐罗网络信息 755

　　这张示意图展现的是黑洞兼并进程产生的时空荡漾——引力波，其正从兼并发生地区向周围空间流传。此次LIGO探测到的黑洞兼并事件牵涉到两个质量分离为14倍和8倍太阳质量的黑洞，它们兼并之后形成了一个质量为21倍太阳质量的新黑洞

艺术示意图：LIGO探测到两个正在兼并进程中的黑洞

　　LIGO已经大大增加了已知质量的黑洞数量。这一探测器已经确实无疑地探测到了两次引力波事件，对应两次独立的黑洞兼并事件（如图所示，两个较小质量的黑洞兼并成为较大质量的黑洞）。在每一次事件中，LIGO都准确测定了参与事件黑洞各自的质量以及兼并后黑洞的质量。图中虚线标出的是LIGO探测到的一次疑似事件，其因为信号太过幽微而未能失掉确认

　　新浪科技讯北京时间6月16日清晨新闻，6月16日清晨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科学协作组（LSC）和Virgo协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新闻。这是14亿年前两个遥远的黑洞彼此兼并进程所产生的时空扰动，该事件的荡漾穿越宇宙，被地球上的人们探测到。此番再次探测到引力波信号证实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呈现，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

今日清晨发布会现场发布的此次引力波事件的信号图

　　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，信号表现，两个质量分离为大概14倍和8倍太阳质量的黑洞在兼并之后形成了一个质量约为21倍太阳质量的黑洞，表现有大概1倍太阳质量的物质被以引力波的形式释放出去，名目研究人员称这次的信号是“来自爱因斯坦的圣诞礼物”。

　　在发布会一开端就由美国路易斯安那州立大学的LIGO科学协作组发言人加布艾拉·冈萨雷斯女士女士（Gabriela González）开门见山地宣告了再次探测到引力波的新闻。这是他们自从往年2月份宣告初次探测到引力波信号以来再次宣告探测到引力波信号。

　　什么是引力波

　　引力波是时空的荡漾，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兼并事件。引力波的存在早在1916年便已经由爱因斯坦预言，当时爱因斯坦证实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荡漾。这种“荡漾”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实引力波的存在，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。这些间接研究的成果与爱因斯坦在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形之后，这类天体轨道的衰减进程完全符合爱因斯坦理论的计算成果。但是，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狭义相对论新的，且更为直接的测验，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兼并频率的研究，并帮助他们测验一些极端环境下物理理论的正确性，甚至可能引出愈加深层的自然本质理论。

　　LIGO科学协作组发言人加布艾拉·冈萨雷斯女士表现：“我们的计划并非仅仅是探测到初次引力波信号，也并非想要去证实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。”

　　这张图展现的是LIGO两次确认探测成果以及一次疑似成果的日期，后者因为信号太过幽微而未能失掉确认。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“进步LIGO”设备初次试运转阶段探测到的

　　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。与此同时名目组此前还曾经遭遇到另外一次“疑似信号”，因为该信号太过幽微而无法确认。研究组已经在往年2月份的那次发布会中介绍了有关情形。亚利桑那州立大学理论物理学家劳伦斯·克劳斯表现：“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。”

　　此次LIGO探测到的引力波信号来自两个互相绕转并终极兼并的黑洞。最上方演示的是这两个黑洞的实际运转情形，下面分离展现LIGO探测器采集的到的引力波信号和频率变更，可以看到频率从最初的35Hz一路飙升到大概700Hz

　　两次探测到的引力波信号有啥不一样？质量更小的黑洞

　　此次新发现的引力波信号源自大概14亿年前的一次黑洞兼并事件，两个参与兼并事件的黑洞质量大概分离为14倍和8倍太阳质量，它们不断彼此绕转并终极兼并。信号表现这两个黑洞兼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概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。

　　这是南半球天空示意图，标出的地位是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抵起源方位。差别的色彩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概90%相信度，外部黄色线圈定的范围代表的则是10%相信度程度，可见误差率还是相当大的

　　截止现在，LIGO探测器探测到的两次引力波信号大抵起源方位示意图。同样的，差别的色彩线条代表差别的相信度程度：最外侧紫色线条圈定的范围代表大概90%相信度，外部黄色线圈定的范围代表的则是10%相信度程度

　　这一三维投影地图展现的是LIGO全部三次引力波探测信号（包括两次确实的引力波信号探测和一次疑似信号探测成果）的可能信号源地位。两次确认的引力波信号分离是GW150914（绿色）和GW151226（蓝色），图中第三个地区代表的则是一个疑似信号（LVT151012，红色）。图中差别色彩线条地区代表差别的相信度程度：最外侧线条代表大概90%相信度，最内侧则代表大概10%相信程度

　　和LIGO的第一次探测相比（当时探测到的信号来自两个大概30倍太阳质量的黑洞），此次探测到的信号频率更高并且连续的时间也更长。在初次引力波探测信号中，科学家们只观测到两个黑洞碰撞兼并之前的最后一圈或是两圈绕转进程，而此次科学家们一共追踪到两个黑洞兼并之前的最后27圈彼此绕转。冈萨雷斯表现：“这将让我们能够更为准确地测验爱因斯坦的狭义相对论并对黑洞的各项参数做愈加准确的估算。”

　　此次，研究组同样有机会对参与兼并黑洞的自旋情形进行观测，成果表现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名目组成员，美国西北大学的维基·卡罗基拉表现：“假如光从初次引力波探测信号来看，参与兼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。”

　　关于LIGO 你了解多少？

LIGO外观

LIGO Laboratory

　　当麻省理工学院和加州理工学院的科学家计划用激光干预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。但是，美国国家科学基金会（NSF）终极于1990年批准了激光干预引力波天文台（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年开端收集数据。但是，之后的9年内，LIGO什么都没有找到，而它也于2010年被关闭，等待进级重启。　　

　　在2010年关闭并开端进级的LIGO终极于去年9月重启。进级后的高级LIGO探测引力波的能力大大提升，并在刚刚开端运转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。

　　今天清晨发布会上宣告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日初次探测到引力波信号仅仅才过去了3个月左右。LIGO利用两台分离位于路易斯安那和华盛顿州的探测安装捕捉到了穿过地球的时空荡漾。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外部的反射镜上来回反射并准确测定来自两个长臂的反射激光之间的干预效应，从而测量长臂所呈现的任何极其细微的空间变更。

　　在正常情形下，两条长臂应该是完全等长的，因此激光束在两条长臂中流传所花费的时间是一样的。但是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流传的时间长度呈现差异，当它们反射回来并汇合时，就会呈现干预条纹。

　　这样的长度变更将是极其细微的——LIGO安装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更，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“进步LIGO”实验设备是此前较老版本的进级版。这一探测安装的构想最早在上世纪1960年代便已经呈现了，最初版本的LIGO安装在2002年建成并投入使用。

　　往年2月份LIGO团队发现引力波的新闻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，对初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者根本就不是黑洞，而是虫洞等等。美国哥伦比亚大学的LIGO团队成员萨布里克·玛卡表现：“最有趣的任务是由LIGO名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

正在对LIGO设备进行技术进级任务的工程师

　　“进步LIGO”设备现在还仅仅是在进级之后完成了其初次试运转，该次试运转时期从去年9月份开端，一直连续到往年1月份。其探测器现在已经处于停机进级状态，预计将在往年7月份进行一次测试开机。假如一切顺利，那么第二次试运转预计将从往年夏末开端，连续大概6个月。与此同时，研究组的科学家们继续对初次试运转期间积累的大量研究数据进行分析。除了黑洞兼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。

　　假如两颗中子星彼此兼并，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·加多那提表现：“这不会像黑洞兼并那样是一类爆炸性的事件，它们产生的引力波会幽微的多。这将是一场长期的搜索，需要花费时间，现在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体系成因的理解，或者最大的可能性是：它们原本就存在于一个双星体系中，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体系。另一种理论则认为双黑洞体系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彼此接近并成为双黑洞体系。卡罗基拉表现：“这是我主要的兴趣所在——我们能够终极弄清楚双黑洞体系究竟是如何形成的，这两种理论究竟哪一种是对的？或者说这两种机制都存在？”

　　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，用于对爱因斯坦的狭义相对论中所包含的相关预言进行愈加准确的测验。尽管绝大多数科学家相信狭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测验都证实了它的正确性，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，这或者将能够帮助科学家们终极实现引力与量子力学之间的统一。加多那提表现：“到现在为止我们还尚未发现任何与狭义相对论不符的情形。但假如我们开端观测到任何不吻合，我们或者就将迎来超越狭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备的“小试身手”。正如玛卡所说的那样：“为这个名目，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任务。我们正身处在这中间地位，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。（晨风郭祎）

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