LIGO发现第3例引力波事件

作者:业界 来源:互联网 2017-06-25 评论( )

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。

 

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。

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。”

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。

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!

2017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。

2017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。

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。

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/So<em></em>noma State University/Aurore Simonnet

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。

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。

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/So<em></em>noma State University/Aurore Simonnet

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。

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。”

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