人类再次观测到引力波

作者: 胡一鸣

来源: 果壳网

发布日期: 2016-06-16

本文讲述了科学家们在圣诞节期间探测到引力波信号GW151226的故事,介绍了引力波探测的过程及其科学意义,并展望了未来引力波探测的发展前景。

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……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。

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和华盛顿州汉福德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。

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。

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。

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。

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。

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之后当今年的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,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。

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