突发:LIGO宣布探测到第二个引力波事件,这意味着什么?

作者: 毛淑德、李顺生

来源: 赛先生天文

发布日期: 2016-06-16 02:47:59

本文讨论了LIGO宣布探测到第二个引力波事件的意义,分析了引力波的物理特性和探测的重要性,并探讨了中国在引力波探测领域的机遇和挑战。

北京时间16日凌晨,LIGO在美国天文学会正式宣布再次倾听到了双黑洞并合的天籁之音。这第二个引力波事件发生在2015年12月26日,由两个分别为14.2和7.5个太阳质量的黑洞并合所引起。参加新闻发布会的人员既有LIGO科学合作组织的新闻发言人加布里埃拉·冈萨雷斯、加州理工学院LIGO实验室所长戴维·莱兹,还有欧洲VIRGO引力波探测器的新闻发言人富尔维奥·里奇。

根据爱因斯坦的广义相对论,任何物体的加速运动均会对周围的时空产生扰动,这种扰动会以引力波的形式向外传播,在时空中泛起像水波一样的“涟漪”。借助极其灵敏的探测器,我们可以捕捉到这一效应导致的空间的微小拉伸,从而探测到引力波。

引力波的直接探测是检验相对论正确性的最重要也是最后的一块“拼图”。引力波的一些物理特性,如几乎不与物质直接发生作用,携带有发射源以及引力本质的信息等,使其成为了一个理想的天文观测工具。引力波直接探测的实现无疑是打开天文观测的一个新窗口,我们迫切期望能听到这窗外的天籁之音。

LIGO科学合作组织在圣地亚哥举行的美国天文学会第228次会议上正式宣布的第二个引力波事件发生于2015年的圣诞节期间(12月26日),这无疑是LIGO科学合作组成员收到的一个绝佳的节日礼物,但肯定也扰乱了许多人的假日计划!这一事件是在第一个完整的观测季节(从2015年9月12日到2016年1月19日)共130天中捕捉到的。

整个事件持续约1秒(30个周期),比第一个事件长了约5倍,统计置信度高于5个标准方差,结果在物理评论快讯上发表。

这次发现的双黑洞并合事件离地球的距离与第一个事件几乎相同,为约14亿光年(红移为0.1),最后形成黑洞的无量纲自旋参量(0.7)也很接近,这些很可能只是巧合。

这两个事件也有两个主要区别:第二个事件中双黑洞的质量分别为14.2和7.5个太阳质量,与其他天文方法发现的黑洞的质量接近,但明显小于第一个事件的双黑洞质量(分别为36和29个太阳质量)。最后的黑洞并合释放约1个太阳质量的巨大能量,虽低于第一个事件释放的能量(折合3个太阳质量),但还是极为可观。由于此次双黑洞质量更小,事件的持续时间(1秒)也比第一个事件长了约5倍。

另外,此次信号频率范围在35-430赫兹,比第一个事件的频率范围(35-250赫兹)更高。

2016年2月11日,LIGO宣布首次直接探测到了引力波。这震撼了学术界并引起了公众的极大兴趣,一时“引力波”成了热词。但也不乏有少数人对其真实性提出了质疑。

GW151226的发现自然引出了一个问题:为什么第二个事件又是双黑洞并合产生的?要回答这个问题,我们首先需要考虑到天文观测普遍存在的选择效应,即能观测到的事件依赖于仪器本身的设计性能。对于LIGO,双致密星并合前发出引力波的频率恰好落在其敏感频段,所以再次探测到双致密星并合也就不足为奇了。但为什么又是双黑洞,而不是其他致密星(如中子星)的并合?这就需要一番解释了。

虽然引力波的首次直接观测仅是不久前的事情,但人们对引力波的直接探测方法的探索已经持续了半个多世纪。从最早的韦伯型共振棒探测器到现在的引力波激光干涉仪,随着探测方法的不断改进,以及观测设备的不断升级,现在的引力波探测器已经达到了前所未有的高精度(现在的LIGO已经可以测出相当于千分之一个质子半径的细微变化)。但从第一个和第二个引力波事件可以看到现有观测装置还有不足之处。

第一次直接探测到引力波无疑是个重大发现,拿诺贝尔奖应无悬念。从以往的获奖情况来看,一个基础方向往往会产生不止一个诺奖,有很强的“成团”效应。宇宙微波背景辐射的发现于1978年得奖,而其各向异性的发现在2006年再次获奖。

很多天文学家认为通过观测微波背景辐射的偏振信号可以用来探测原初引力波并验证暴涨理论,有可能再冲诺奖;中国天文学家在西藏阿里推动建设的微波背景辐射的观测装置,就是瞄准了这一前沿领域可能的突破。

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