1波又起,官方解读新浦京www81707con:

新浦京www81707con ,2017年6月1日,美国的激光干涉仪引力波天文台(LIGO)宣布,成功探测到第3例引力波信号。与前两次探测一样,该信号也来自于两个黑洞的碰撞与并合。这个并合事件形成的黑洞质量相当于太阳的49倍,正好介于LIGO探测到的前两例并合事件的黑洞质量之间——前两例并合事件的黑洞质量分别是太阳的62倍和21倍。

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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。

新当选的LIGO科学合作组织发言人,美国麻省理工学院的戴维·休梅克(David
Shoemaker)说:“我们有了进一步的证据,表明大于20倍太阳质量的黑洞是存在的,这是在LIGO探测到引力波信号之前我们所不知道的事情。”

LIGO新闻发布会现场,摄影:崔筝

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。

新发现来自于LIGO的第二次科学运行阶段,始于2016年11月30日,预计将持续到今年夏天。LIGO是一个引力波天文台,由美国自然科学基金会资助,并由美国加州理工学院和麻省理工学院共同运行。它拥有两架结构完全相同的探测器,分别位于华盛顿州的汉福德(Hanford)和路易斯安那州的利文斯顿(Livingston)。LIGO科学合作组织包含了国际上1000多名科学家,他们同欧洲的Virgo合作组一道开展LIGO相关的引力波研究。

编者按:

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。

新浦京www81707con 2LIGO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

引力波信号,第3例!

升级改造后的LIGO,也就是所谓的高新LIGO,在2015年9月开始了第一次科学运行,并且发现了人类历史上第一例被直接探测到的引力波事件,紧接着在2015年12月又探测到了第二例信号。第3例信号于2017年1月4日被LIGO的两个探测器探测到,因而被命名为GW170104。这些信号有一个共同特征,就是均来自于双黑洞的并合。这些黑洞并合是宇宙中最剧烈、最高能的事件,并合期间辐射的引力波能量超过了宇宙中所有的恒星和星系在同时段内发出的光能的总和!

新浦京www81707con 32017年1月4日,LIGO的两台探测器记录下了第3例得到确证的引力波信号。图片来源:LIGO科学合作组织和Virgo合作组发表于《物理评论快报》的论文。

上图显示了两个LIGO探测器记录下的GW170104信号。这是一个典型的“啁啾”信号:在两颗黑洞互相绕转、彼此靠近直至最终并合的过程中,信号的频率和强度会一直持续增大。科学家使用超级计算机对LIGO的观测数据进行分析,可以从中得出信号源的一些特征,比如两个黑洞的质量、到地球的距离,以及它们在天空中所处的方位。产生GW170104信号的那两个黑洞的并合过程,距离地球足有30亿光年,比第一例引力波信号的13亿光年和第二例信号的14亿光年都要更远。这两个黑洞的质量分别是太阳的31.2倍和19.4倍,最终并合成一个质量相当于太阳48.7倍的大黑洞,另外相当于太阳2倍质量的能量则以引力波的形式辐射出去了。

“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。

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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1波又起,官方解读新浦京www81707con:。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。

黑洞家庭新成员

下面这张图片,形象地展示了恒星量级黑洞家族的一幅“全家福”。紫色代表利用X射线天文观测推算出的黑洞质量,蓝色则代表LIGO通过引力波观测估计的黑洞质量。

新浦京www81707con 7目前观测到的恒星级黑洞家族全家福。纵轴标示出了黑洞的质量,紫色代表利用X射线天文观测推算出的黑洞质量,蓝色则代表LIGO通过引力波观测估计的黑洞质量。图片版权:LIGO科学合作组织/Sonoma
State University/Aurore Simonnet

黑洞的引力是如此之强,以至于光也无法逃脱。黑洞不能被人类直接“看”见,因为它不辐射电磁波。在LIGO探测到引力波之前,天文上研究黑洞的一个主要手段是观测X射线双星,比如由普通恒星和黑洞组成的双星系统。当一颗恒星非常靠近黑洞的时候,黑洞可以利用其巨大引力吞噬恒星的物质,这一过程会辐射X射线。虽然X射线不能直接被人的肉眼所感知,科学家利用空间望远镜来研究X射线双星并估计黑洞质量。目前为止,这种手段观测到的黑洞质量都不到太阳质量的20倍。

黑洞是极其致密的!GW170104事件产生的大黑洞,质量相当于太阳的49倍,但是其半径仅有100多千米(作为比较,太阳的半径为70万千米!)。两个黑洞高速绕转至并合的最终瞬间,速度可以达到光速的一半。根据爱因斯坦的广义相对论,这种黑洞并合的过程将引起时空的震颤,辐射大量的引力波。LIGO对这种引力波信号的观测可以直接测量黑洞的质量。迄今为止,LIGO观测到的双黑洞并合事件形成的黑洞都在太阳质量的20倍以上。GW170104的发现进一步证实了这类“微胖”黑洞的存在。

《知识分子》邀请德国马普引力物理所、清华大学博士后、LIGO科学合作组织成员胡一鸣对引力波探测进行解读。

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”。

新浦京www81707con 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􏰀供了更极端的条件来更严格地验证广义相对论,同时开启一条探索宇宙的全新途径。

在爱因斯坦预言引力波的同一年,物理学家卡尔·史瓦西证明爱因斯坦的广义相对论允许黑洞的存在。它是一个奇异的天体,非常致密,以至于光都难以逃脱它的引力束缚。虽然就字面意义来看我们不能直接“看到”黑洞产生的光,天文学家通过研究黑洞候选体对它周围的物质产生的效应已经收集了大量间接证据。例如,我们认为宇宙中绝大多数星系(包括银河系)的中心都有一个超大质量(数百万乃至数十亿倍于太阳的质量)黑洞。同时还有非常多低质量(从几个到几十个太阳质量)的黑洞候选体;它们被认为是恒星剧烈爆炸——核塌缩超新星——的遗留物。

在黑洞的间接观测研究取得进展的同时,对这些奇异天体的理论理解也在不断加深。例如,过去的十年里,对双黑洞并合前的最后时刻的轨道演化的电脑模拟有了十分显著的进步。这些计算机模型帮我们依据广义相对论精确地计算出引力波波形,告诉我们引力波的特征模式在两个黑洞彼此靠近并最终并合为一个更大的黑洞过程中是如何演化的。因此双黑洞并合的直接观测为验证爱因斯坦的理论􏰀供了一个最好的宇宙实验平台。

双黑洞形成之谜

此次LIGO的发现,还有助于我们最终解开双黑洞形成之谜。

一般来说,恒星量级的双黑洞系统有两种形成机制。在第一种模型中,两个黑洞几乎同时诞生——由两个大质量恒星构成的双星系统,分别经历超新星爆发而各自形成一个黑洞。这种机制下,黑洞自转方向跟相互绕转的轨道方向通常是一致的。第二种模型中,黑洞在致密星团中相遇并成双结对走到一起。这种情况下黑洞可以绕任意方向旋转。

新浦京www81707con 11黑洞自转和双黑洞轨道运动示意图。图片版权:LIGO科学合作组织/Sonoma
State University/Aurore Simonnet

虽然还无法确切测量新引力波事件中那两个黑洞的自转方向和速度,但GW170104首次提供了证据暗示,这两个黑洞中至少有一个,自转轴与相互绕转的方向可能没有对齐,从而微弱地支持了这对双黑洞形成于致密星团的起源模型。

在不久的将来,随着越来越多的双黑洞并合事件被发现,我们有望通过引力波来解开双黑洞形成之谜。

明日将继续刊出美国德州奥斯汀大学理论物理博士张天蓉的解读文章,敬请期待。

文章题图:LIGO

LIGO探测器

LIGO是世界上最大的引力波天文台,同时也是世界上最精密的物理实验之一。它由两个相距几千公里的大型激光干涉仪组成,分别位于美国路易斯安那州的利文斯顿和华盛顿州的汉福德。它利用光和空间本身的物理性质来探测引力波,这是早在二十世纪六七十年代就􏰀出的概念。几台第一代干涉仪在二十一世纪初建造完成,包括日本的TAMA300,德国的GEO600,美国的LIGO和意大利的Virgo。这些探测器在2002年至2011年期间共同进行观测,但并未探测到引力波。在经历重大改造升级之后,两个升级版的LIGO探测器的灵敏度大幅􏰀高,并作为升级探测器网络中的先行者进行观测。

LIGO干涉仪由两条分别长达四公里并且互相垂直的干涉臂构成。沿着每条臂传播的激光束在末端反光镜(悬挂的测试质量)处被反射。当引力波经过时,时空的伸缩导致一条臂长变长的同时另一条臂长变短。当两条臂的长度变得不同时,激光束在两臂传播时间不再相同,也就是说两束激光束的相位不再同步,于是所谓的干涉条纹产生了。这也就是我们称之为干涉仪的原因。两条臂的长度差异与经过的引力波强度(被称为引力波“应变”)成正比,但是其数值之小令人咋舌。一个典型的引力波应变大约在质子直径的万分之一!而具有极高灵敏度的LIGO干涉仪能够测量出如此微小的变化。

想要成功探测诸如GW150914的引力波事件,不仅需要LIGO探测器具有惊人的探测灵敏度,还需要将真正来自于引力波源的信号与仪器噪声分离:例如由环境因素或者仪器本身导致的微扰,都会混淆视听甚至淹没我们所要寻找的信号。这也是为什么要有两个高新LIGO探测器的主要原因。它们帮助我们区分引力波和仪器环境噪声,只有真正的引力波信号会出现在两个探测器。当然考虑到光(或引力波)在两个探测器之间传播的时间,前后出现会相隔几个毫秒。

新浦京www81707con 12高新LIGO探测器简化示意图(未按比例显示)。对基本设计的主要改进包括:一个光学谐振腔,使激光在单臂中来回反射多次,以加强引力波在激光相位上产生的影响;一个功率循环镜,将干涉仪中的激光功率大幅􏰀高;一个信号循环镜,进一步优化从光电探测器中􏰀取的信号。这些改进使得激光功率在光学谐振腔中增强了5000倍,并且延长了信号在干涉仪中循环的时间。图(a)显示了两个LIGO探测器的地理位置和方位,以及光在它们之间传播所需的时间。图(b)展示了在GW150914事件前后两个探测器中仪器噪声与频率的关系。仪器噪声越低,探测器对引力波的灵敏度越高。图中的尖峰表示该窄带频率处有很强的仪器噪声。图片来源:原论文图2

上图图(b)展示的是LIGO探测器仪器噪声与频率的关系。我们可以看到噪声在几百赫兹左右达到最低,但在低频和高频区域急剧升高,并且在一些比如由于悬挂反光镜(测试质量)的纤维震动所导致的仪器噪声对应的频率处,显示出一系列窄带尖峰。

为了实现高新LIGO探测器灵敏度的大幅􏰀升,第一代LIGO设计进行了全面地升级:

•大幅高激光功率,以减少高频噪声;
•重新设计循环腔以更好地配合激光的空间分布;
•使用更大更重的石英玻璃作为测试质量,以减少反光镜的随机运动•用石英玻璃纤维悬挂测试质量,以减少热噪声;
•用一个四级摆来悬挂测试质量,以更好地隔离地震干扰;
•使用主动“测量-抵消”策略来减少地面运动的影响。

利用两个或多个探测器组成的网络,通过分析引力波到达各个探测器的时间差异,我们可以利用“三角视差法”推断引力波源的方位。网络中有越多的探测器,引力波源的位置便能被更好地确定。2016年,意大利的高新Virgo探测器会加入全球探测器网络,并且更多其他高新干涉仪也将在不久的将来陆续加入。

考验相对论

这项研究还对爱因斯坦的理论进行了再次检验。

举例来说,研究人员在数据中寻找了所谓的色散效应。光在玻璃之类的介质中传播时,不同波长的光传播速度也不同,这种现象称为色散,也是三棱镜能够把阳光分解成彩虹颜色的原因所在。在从源头传播到地球的过程中,爱因斯坦的广义相对论不允许引力波发生任何色散效应。LIGO也确实没有找到色散的任何证据。

“爱因斯坦似乎是对的——哪怕这起最新的引力波事例,距离要比前两次的远上大约两倍。”LIGO科学合作组织副发言人、美国佐治亚理工学院的劳拉·卡多纳蒂(Laura
Cadonati)说,“我们发现观测结果与广义相对论的预言之间不存在任何偏差,而这次更远的距离也让我们在作出这一论断时有了更大的信心。”

“LIGO装置的灵敏度已经达到了惊人的地步。”Virgo合作组发言人、荷兰国家亚原子物理研究院及阿姆斯特丹自由大学物理学家乔·范德布兰德(Jo
van den
Brand)说,“我们期待到今年夏天,Virgo这台位于欧洲的干涉仪能够扩展这一探测器网络,帮助我们更好地定位引力波信号。”

相关研究论文6月1日发表在《物理评论快报》(Physical Review
Letters
)上。(编辑:Steed)

文 |
胡一鸣(德国马普引力物理所、清华大学博士后,LIGO科学合作组织成员)

LIGO观测到了什么?

在2015年9月14日格林尼治标准时间9点50分45秒,LIGO位于美国利文斯顿与汉福德的两台探测器同时观测到了GW150914信号。这个信号首先由低延时的搜索方法识别出来。为了快速分析探测器数据,这种搜索方法并不需要精确地模拟引力波波形,它通过寻找可能为引力波的某些特征迹象来搜索引力波。这些快速的搜索在信号到达探测器后不到三分钟就将它作为引力波的候选事件汇报出来。LIGO干涉仪获得应变数据后,会和一个理论计算得出的海量波形库进行对比,这个数据处理的过程是为了找到和数据最匹配的波形,也就是通常所说的匹配滤波法。

图3展示了详尽分析后的关键结论,所有证据都指向两个黑洞并合导致了GW150914。图片中部,我们重建了在汉福德探测器看到的引力波应变模式。需要注意的是,这个重建的特征模式(灰色)和通过广义相对论理论预测的双黑洞并合的最佳匹配波形(红色)惊人地吻合。

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通过比较由数据重构的引力波应变(以在汉福德的H1探测器所接收的应变为例)和由广义相对论计算得出的在旋进、并合和铃宕三个过程的最佳匹配波形,得出的关于GW150914的一些关键结论。图片下方展示了两个黑洞的间距和相对速度随时间演化的过程。图片来源:原论文图3

图片上方的漫画代表了双黑洞并合的三个阶段,首先是旋进阶段,两个黑洞因引力波的能量损失逐渐靠近对方;接下来是并合阶段;最后是铃宕阶段,为新形成的黑洞在达到最终稳定状态前短暂的震荡阶段。

将探测器的数据与理论预计相比较可以首先用来检验广义相对论的理论是否可以准确地􏰁述这个事件。回答是肯定的:我们的观测结果强有力地显示广义相对论完美地通过了这次检验。

我们还可以使用获得的数据详细地估计一系列包括并合前的双黑洞质量,并合产生的黑洞质量,并合事件发生的距离在内的GW150914的具体物理特性。

我们的结果显示,GW150914是一个36倍太阳质量的黑洞和一个29倍太阳质量黑洞并合事件,在并合后产生了一个62倍太阳质量的黑洞。除此以外,我们可以推断出这个最终产生的黑洞正在旋转,这种带自转的黑洞是在1963年首先由数学家罗伊·克尔(RoyKerr)通过理论计算􏰀出的,也就是所谓的克尔黑洞。最后,我们知道GW150914发生于距离我们十几亿光年以外。也就是说LIGO探测器真实地探测到了很久很久以前,一个很远很远的星系发生的一件惊天动地的大事!

如果我们将并合前的两个黑洞和最终的产生的黑洞相比较,可以注意到这次并合将大约3倍太阳质量(大约六百万亿亿亿千克)转换成了引力波能量,其中大部分能量在不到一秒的时间里被释放出去。我们来做个简单的比较:太阳这样一个巨大的能量源,每秒钟也不过是将自身质量的十万亿亿分之二(~四十亿千克)转换成电磁辐射,这么一比GW150914的能量真是大得不可思议。而事实上,GW150914放出的峰值功率要比可观测宇宙中所有星系的光度总和的十倍还要多。

参考文献

  1. LIGO科学合作组织和Virgo合作组发表于《物理评论快报》的论文
  2. LIGO科学合作组织网站:www.ligo.org

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怎么知道这个事件是黑洞并合?

我们估计的GW150914并合前的两个天体的质量有力地证明了它们都是黑洞。尤其是图3底部,它们之间的距离如此小,而速度又是如此地快。图中的速度以光速为单位,而距离间隔以这一质量的黑洞的特征尺度为单位,也就是所谓的史瓦西半径。

这些图表意味着,两个黑洞在并合前——也就是引力波的频率差不多达到150赫兹时——相距仅仅几百公里。在这么大的质量下靠这么近还能不发生并合的,只有黑洞了。中子星也是一种致密而大质量的天体,LIGO同样在关注着中子星发出的引力波。然而一对中子星的质量相比我们计算的质量还是太轻;由中子星和黑洞组成的双星系统,早在低于150赫兹的频率就发生并合了。所以我们可以确凿无疑地断定,这是一对黑洞并合产生的信号。

我们是否确信GW150914是一个真实的天文事件?

一个字:是。

当然,这个问题事实上非常重要,而LIGO科学合作组织和Virgo组织的很多努力都是为了回答这个问题。

为此进行的每一个独立而全面的检查,都给我们宣布GW150914的发现增添一分信心。

首先,如前所述,两个LIGO探测器记录的信号时间差与光穿梭于台址间的时间吻合。另外,如图1所示,来自汉福德与来自利文斯顿的信号有着十分相似的模式。由于两个干涉仪的朝向近乎一致,这一点恰恰符合预期。同时,这个信号非常强,在噪声的背景中“鹤立鸡群”,就好像在一个拥挤的大房间里从嘈杂的背景中辨析出一场对话一样。

对于我们的分析而言,理解背景噪声至关重要。这也意味着我们需要监测台址附近海量的环境信息:地面运动,温度变化,电网波动等等。与此同时,许多数据通道实时监测着干涉仪的状态,比如检查激光束正确地指向镜子正中。如果这众多的监测通道中的任意一个出现异常,采集到的数据就会被舍弃。然而,在经历了详尽的研究和检查后,该事件前后的数据都没有发现质量问题。

不过,又或许GW150914只是由于机缘巧合,凑巧在两个台址都出现了相似特征的噪声扰动?要排除这种可能,我们需要计算这种情况到底得有多么凑巧——发生地越罕见,我们就越相信GW150914是真实引力波事件。

要完成这一统计分析,我们使用该数据后一个月内采集到的总时长为16天的稳定、高质量的探测器数据。GW150914的确是两个探测器在这段时间内最强的信号。接下来我们人为地在两个探测器数据间引入一个时间平移,等效于构造出一个时间上长很多的数据,用以搜寻其中不弱于GW150914的巧合性信号。我们只采用大于10毫秒(光在两个探测器间传播所需的时间)的时间平移,这样保证了人造数据中不含任何真实的信号。如此我们可以放心地使用这些数据来分析噪音的统计学波动——回答”伪造出一个像GW150914这样的信号有多难”这样的问题。我们可以归纳得出一个“误警率”,也就是说,统计上,噪音被错误地归类为信号的频率。

图4展示了我们对探测器数据进行的这类统计分析结果。黑色和紫色的实线代表了不同的噪音背景:基于稍微不同的假设,两条线展示了不同信号强度下模拟成信号的巧合噪音“事件”预期发生的数目。

新浦京www81707con 14对双星并合信号的搜索,定量地显示了同噪声起伏产生的背景相比,GW150914是多么地罕见。这一搜索可以断定由噪声伪装成GW50914是极端罕见的——少于每两万年一次——这一数值等同于高于五倍标准差的探测显著性。图片来源:原论文图4改编

在这幅图中,最关键的信息是GW150914距离黑色和紫色曲线非常远;这意味着能够伪装成信号的噪声极其罕见。事实上,对于GW150914这样的事件,我们估计的误警率低于每20万年一次!这个误警率可以转换成一个sigma值,或者说标准差,用以估计统计分析中一个新发现的显著程度。从图中可以看出,这一搜索可以在5个标准差以上的显著水平确认GW150914是一个真实的信号。

LIGO负责人、加州理工学院教授David
Reitze宣布,LIGO发现了引力波。视频来源:LIGO新闻发布会直播

结论和展望

第一次直接探测到引力波,以及第一次观测到双黑洞并合是一项非凡的成就。然而,他们不过是天文学激动人心的新篇章的扉页而已。

将来,高新LIGO探测器会进一步改进,而现有的全球探测器网络也将拓展,其中包括高新VIRGO,日本的大型低温引力波望远镜(KAGRA),和可能的建于印度的第三个LIGO探测器。这些都有助于我们更好的定位引力波源在天空中的位置和更准确地估计它们的物理学性质。引力波天文学这一新兴领域必将有一个光明的未来!(编辑:Calo)

我们发现了引力波!

信息来源:LIGO Scientific Collaboration 《对双黑洞并合的引力波的观测》

海伦·凯勒自幼耳目不通,生活在无尽的黑暗与寂静中。她体会到视听感官被剥夺的痛苦,所以更加珍惜生命的可贵,写下了传世之作《假如给我三天光明》,感动无数人。

然而,谁又能想到,其实人类在面对浩瀚的宇宙时,从来都是只能远观而不可聆听。望远镜越来越大越来越灵敏,却仅仅让天文学家“目明”而不能“耳聪”。人类认识的宇宙,一直是一片寂静。

2015年9月14日,一个不管怎么看都十分平常的日子。然而在后世的历史中,一定会如此记载:这一天,人类认识宇宙,又多了一种新的武器。从此,人类不再只用眼睛去看,面对宇宙,更是洗耳恭听。这一切,仅仅是因为两个叫做高新激光干涉引力波天文台的引力波探测器,在一个宁静的夏夜,搜寻到了一阵时空的涟漪。随之载入史册的,也有这串涟漪的名字:GW150914,在2015年9月14日探测到的引力波(GW)。

当然,在后世的考古学家考据这段历史时,也许早就记不清,这是在十几亿光年外,两个分别为29倍太阳质量和36倍太阳质量的超恒星级黑洞并合产生的信号;也大概不会记得并合发生在北京时间下午5:51;或许早就已经忘却,这个信号在从20Hz跃升到150Hz的并合频率时只用了不到0.2秒的时间;更甚至,连它是来自南天球这一点都会被湮没在历史的尘埃中;脑洞开得再大一点,也许未来的科学家早就用更高效的方法探测或产生引力波,以至于用激光干涉探测引力波这样的想法显得如同史前时代一般。

然而,他们一定会仔细玩味,人类首次直接探测引力波信号的那一年,恰恰是爱因斯坦发表广义相对论的一百周年整;而宣布这一探测的年份,又恰恰是爱因斯坦根据广义相对论推导得出引力波的一百周年。

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LIGO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(版权:LSC/Virgo
collaboration)

引力波——跨越百年的追寻

1915年,爱因斯坦用那美妙的场方程道出了引力的奥秘——时空命令物质如何运动,而物质引导时空如何弯曲。爱因斯坦很自然地就联想到,当物质在时空中运动时,时空会如何随之改变呢?很快,他就得到了一个他称之为引力波的数学解。当一列引力波向你迎面走来时,你会忽而又高又瘦,忽而又矮又胖,并且循环往复——当然,这个变化实在是非常的微小,所以爱因斯坦很快就断言,引力波无法被探测到。

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当一列线性偏振的引力波向你迎面走来时,你周围的时空会不断压缩——拉伸——压缩——拉伸,循环往复(图片版权:马普引力所)

广义相对论还预言出各种千奇百怪的东西来,最有名的大概就属黑洞了。爱因斯坦对于黑洞很是花了一番时间研究,然而对于他而言,这些研究就好像是报纸上的趣味问答,好玩,有趣,有着智力的挑战,但同时也没有任何实际意义。自始至终,爱因斯坦从来没有正儿八经地相信过在真实的宇宙里会存在黑洞这样的东西。

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通过比较由数据重构的引力波应变(以在汉福德的H1探测器所接收的应变为例)和由广义相对论计算得出的在旋进、并合和铃宕三个过程的最佳匹配波形,得出的关于GW150914的一些关键结论。图片下方展示了两个黑洞的间距和相对速度随时间演化的过程。(版权:LSC/Virgo
collaboration)

GW150914,却恰恰以5个标准差以上的显著水平确认GW150914是一个真实的信号。上面的图片意味着,两个黑洞在并合前——也就是引力波的频率差不多达到150赫兹时——相距仅仅几百公里。在这么大的质量下靠这么近还能不发生并合的,只有黑洞了。

正如马克斯·普朗克引力物理研究所(阿尔伯特·爱因斯坦研究所)的所长布鲁斯·艾伦(Bruce
Allen)所说,“爱因斯坦当初认为引力波太过微弱而无法探测,并且他从未相信过黑洞的存在。不过,我想他并不介意自己在这些问题上弄错了。”

在广义相对论提出之后一个世纪,它的几个重要预言意义得到了认证。即使在黑洞并合这样极强的引力场条件下,观测得到的引力波演化也和广义相对论的预言高度吻合。在现代物理学里,很少能看到这样一个理论经历百年风雨依然屹立不倒了。

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对双星并合信号的搜索,定量地显示了同噪声起伏产生的背景相比,GW150914是多么地罕见。这一搜索可以断定由噪声伪装成GW50914是极端罕见的——少于每两万年一次——这一数值等同于高于五倍标准差的探测显著性。

众里寻他千百度

悄悄的我走了,正如我悄悄的来;

我挥一挥衣袖,不带走一片云彩。

引力波,便是这样,来无影,去无踪。它就好像是铁掌水上漂的轻功高手,纵使自身携带着巨大的能量,也能做到踏沙无痕。这因为此,引力波的测量才如此困难,困扰着一代又一代的物理学家。

这个原因还得从引力的性质说起。对初中物理万有引力公式稍作回忆,就可以想起所谓的万有引力常数G,其数值是67×10-11m3kg-1s-2这一极其微小的数字意味着,相比其他三种基本作用力(强力,弱力,电磁力),引力实在是太微弱了。我们不妨把时空想象成一根弹簧,时空中的质量变化会导致弹簧的伸缩。但是由于引力常数太过微小,所以时空这根弹簧非常之硬,以至于其改变量极难察觉。即使施加巨大的能量也仅仅能够改变分毫。

这是引力波的极大的优点,却恰恰也是引力波最大的缺点。

说它是优点,是因为它极少与物质相互作用,所以阻隔得再厚的墙壁在引力波面前都如同透明一般。反观传统意义上的天文观测手段,一般都使用不同光子作为观测媒介。而光子却很容易与物质发生相互作用。举个例子,太阳核心区域发出的光子在太阳内部不断地被吸收——辐射——吸收——辐射,平均来说,需要花上一百万年时间才能走到太阳表面。所以,当我们观测到来自太阳表面的光子时,我们是没有任何办法直接探究太阳中心的情形的。

引力波则不然,它率性至极,一旦产生,便乘兴而来,似乎什么都阻挡不住它的步伐,因此它包含着源的中心区域最核心的信息。可是,引力波的“率性”是一把双刃剑,在带来核心信息的同时,也让探测极为困难。

目前的LIGO干涉仪由两条分别长达四公里并且互相垂直的干涉臂构成。沿着每条臂传播的激光束在末端反光镜(悬挂的测试质量)处被反射。当引力波经过时,时空的伸缩导致一条臂长变长的同时另一条臂长变短。当两条臂的长度变得不同时,激光束在两臂传播时间不再相同,也就是说两束激光束的相位不再同步,于是所谓的干涉条纹产生了。经过数年升级工作的高新LIGO,能检测出引力波所引起的小于质子直径万分之一尺度的变化量来。

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高新LIGO探测器简化示意图(未按比例显示),对基本设计的主要改进包括:一个光学谐振腔,使激光在单臂中来回反射多次,以加强引力波在激光相位上产生的影响;一个功率循环镜,将干涉仪中的激光功率大幅提高;一个信号循环镜,进一步优化从光电探测器中提取的信号。这些改进使得激光功率在光学谐振腔中增强了5000倍,并且延长了信号在干涉仪中循环的时间。图(a)
显示了两个LIGO探测器的地理位置和方位,以及光在它们之间传播所需的时间。图(b)
展示了在GW150914事件前后两个探测器中仪器噪声与频率的关系。仪器噪声越低,探测器对引力波的灵敏度越高。图中的尖峰表示该窄带频率处有很强的仪器噪声。(版权:LSC/Virgo
Collaboratiom)

再看一下这一次探测到的GW150914,其释放出的峰值功率要比可观测宇宙中所有星系的光度总和的十倍还要多,如此巨大的能量意味着双黑洞系统在短短的一秒钟之内将重达3倍太阳质量(也就是大约六百万亿亿亿千克)的物质通过质能方程E=mc2转化成了巨大的能量。要知道,太阳——这对人类而言无比巨大的能量源——每秒钟也不过是吧40亿千克的物质转化为能量。两相比较,可谓悬殊巨大!

如果并合过程中释放的所有能量以可见光的形式辐射出来,那么即便它发生在10多亿光年之外,它仍将在一瞬间比满月更耀眼!可是如此巨大的能量,在经过地球时,却仅仅耗散了10-17焦耳的能量,相当于一个X射线光子的能量。纵是弱水三千,我只能取一瓢饮之,引力波的探测之难,亦不难想见。

引力波探测,是终点,更是起点

引力波的探测,是长达一个世纪物理学家梦幻的达成,是上千科学家数十年辛勤付出的回报,它意味着一个终点。

但同时,它更是一个起点。第一次直接探测引力波,仅仅是一个伟大时代的开端。

引力波的意义,不仅仅是验证广义相对论,更对天文探测起着无比重要的作用。比如说,在正式运行之前,几乎没有人会相信第一个探测到的引力波信号会是双黑洞并合,而且是质量如此之大的黑洞双星。通过这一次观测,我们知道了数十倍太阳质量的黑洞是可以存在的,这意味着其前身星必定金属含量比较低,同时星风比较弱。我们还可以限制这类事件的发生率,并且预测下一次科学运行时能有多少个探测结果。这一切,都无法通过传统的电磁波天文学得到。

事实上,引力波不光具备视觉所不能及的信息,其与人的听觉还有另一种异曲同工之妙:正如堵住一个耳朵,人就无法分辨声音的来源,只靠一个引力波探测器,也无法确定致密双星并合的信号。而现在测量致密双星并合信号的天空来源的方法,正如同人的听觉一样,靠到达两个耳朵的时间差,和到两个耳朵的信号的强弱比决定。因此,以地球为脑袋,引力波探测器为耳朵,LIGO的科学家们架设起了一座倾听宇宙的招风巨耳。

想不想亲耳听一下GW150914?经过数据处理,LIGO科学合作组织将它呈现在您的耳边:

LIGO发现引力波:人类从此拥有新的宇宙感知力 0:02Bayeswave
 

引力波探测器通过信号到达不同探测器的时间差来确定信号的空间位置(LSC/Virgo)

一个世界的长跑接力抵达了终点,但是一个新的时代,才刚刚悄然开启。

作为一个普通的科研工作者,有幸出生在这个时代,见证这一伟大的历史性突破,更重要的是亲身参与进这样的历史进程,我感到三生有幸。然而,哪怕你不是物理学家,一样可以为搜索引力波做贡献!

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引力波的种类有很多,LIGO的科学目的除了探测来自致密双星并合的信号外,也会搜索来自银河系内的中子星的连续信号。这个搜索由于需要大量计算资源,哪怕用上LIGO自己的超级计算机也不够,所以常年征求志愿者贡献CPU时间,只需要登录

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无尽的自然之谜正在徐徐展开。我们的征途,在星辰大海!

(责任编辑 陈晓雪)

出品 | 科普中国

制作 | 知识分子

监制 | 中国科学院计算机网络信息中心

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