再一次，再一次，人類再一次觀測到了引力波

科技 06-16

難得的假期中，辛勞一整年的科學家們終於可以鬆一口氣，將科學暫時拋開腦後，和家人一起歡度佳節，共享天倫之樂。前一天的守夜讓他們哈欠連連，他們想要早些休息，有些人更是已經早早入睡。這時，他們的手機不約而同地響起，研究所的探測器那裡傳來一陣不尋常的警報。他們看著不解的愛人，不舍的孩子，權衡再三，還是毅然決然地頂風冒雪，啟程前往研究所……

雖然劇情很狗血，但這不是來自科幻小說，也不是來自電影的情節，更不是來自央視對勞模的報道，而是2015年當地時間聖誕節晚上，在LIGO台址工作的部分科學家們真切經歷的故事。

節禮日的一份大禮

北京時間2015年12月26日上午11點38分53秒，也就是美國東部時間12月25日晚上10點38分53秒，路易斯安那州列文斯頓（Livingston, Louisiana）和華盛頓州漢福德（Hanford, Washington）的激光干涉引力波觀測台（LIGO）先後相隔1.1毫秒探測到了由兩個黑洞併合產生的引力波信號——GW151226。

聖誕節在西方大眾，有著相當於春節對於咱們的重要意義；而聖誕節之後的第二天相當於年初二，在西方又叫做節禮日。許多負責台站運行的科學家們在節禮日的凌晨從睡夢中睜開惺忪的雙眼，前往台站投入緊張的工作。

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天下武功，唯快不破，一切的關鍵，在時間。引力波信號初步探測到之後，需要儘快檢查其是否為儀器雜訊或工作異常，並在儘可能短的時間內向同LIGO簽署過君子協議的天文學家們分享這一信息，以便他們使用手中的電磁波望遠鏡進行後續的搜尋和觀測。如果說傳統電磁波的望遠鏡給了天文學家以視力，引力波探測器給天文學家以聽力，僅僅探測引力波信號不過還是盲人摸象；僅僅觀測電磁波現象也只是觀看無聲電影；只有同時、同地發現引力波信號和電磁波段信號，才是一部天文學家期待已久的視聽大片。Fermi衛星的伽馬暴監視器曾經報告過一次可能與GW150914成協的伽馬射線光子信號，然而別的探測器都不能驗證這一探測結果。天文學家熱切期待著能探測到與引力波事件成協的電磁信號，以便更細緻地研究產生引力波的緻密雙星系統。懷著這種熱情，研究、分析GW151226這一事件的工作有條不紊地開始了。

不同於GW150914，內部代號為「節禮日事件」的GW151226引起的時空擾動遠遠小於雜訊的尺度，用耳朵聽原始數據根本聽不出引力波的存在。事實上，這才是我們預期的常態，反倒是可以聽出清晰啁啾信號的GW150914算是出人意料的異類了。反過來想，如果每個信號用耳朵聽就能聽到，用眼睛看就能看出來，那還有什麼必要花費大量的經費開發專門的演算法呢？正是因為我們相信大部分信號都會像GW151226一般，隱藏在雜訊之中，我們才需要高效而靈敏的程序來搜尋那微乎其微的時空畸變。

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LIGO開發了用於搜尋緻密雙星併合信號的軟體，實時分析來自兩個探測器的數據，試圖搜索來自這類源的信號。雖然GW151226的強度遠遠弱於GW150914，但是相對於背景雜訊，它依然鶴立雞群，並且通過了物理領域的黃金標準——五倍標準差——的檢驗。

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由於產生GW151226的兩個黑洞質量相對較低，因此在相同的頻率上，它們演化地更慢。從35赫茲開始，在大約1s的時間內，這兩個黑洞相互繞轉了55圈，達到了450赫茲。在其峰值時，其輻射的功率超過了可觀測宇宙中所有恆星和星系輻射能量的總和。

GW150914的信噪比絕大部分來自於併合前的最後數圈，而在鈴宕（ringdown）階段，也積累了一定的能量，可以獨立進行分析，並和旋近階段的分析結果進行比較，以校驗其一致性；而GW151226的信號則分散在較長的數據中，並且集中於旋近階段，其鈴宕部分的持續時間則短得多，信號也弱得多，因此無法再進行有效的比較。

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從「第一個」到「下一個」

在高新LIGO運行的第一次觀測運行期間，我們發現了兩起確定的引力波事件（GW150914和GW151226）和一次疑似事件（LVT151012），通過兩個LIGO探測器的同時探測，我們可以大概確定它們的空間方向。然而，這種估計是非常粗糙的。因為這種定位能力取決於兩個台址之間的距離，也同時取決於對於黑洞雙星併合具體時刻的估計誤差。LIGO的兩個台址相距較近，特別在信號較弱的情況下，很難精確地確定引力波源的位置。

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預計今年年底上線的高新Virgo探測器雖然比不上高新LIGO那麼靈敏，但是第三個探測器的加入會大大提高引力波探測器的空間定位能力。事實上，如果這三個事件發生時高新Virgo也在運行狀態，引力波源空間方向的不確定性將顯著縮小。

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在天文學裡面，一次探測是發現，兩次探測可以談統計，三次探測就可以談分布了。雖然略微誇張，但是通過GW151226的發現，標誌著LIGO從探測器真正向著天文台的蛻變。我們的關注重點不再是「第一個」，而是「下一個」。

天道酬勤，LIGO和Virgo一千個科學家的努力又換來回報。雖然這個禮物讓一些LIGO台址的科學家措手不及，但發生在聖誕節前後的引力波事件，也許是聖誕老人給引力波科學家們最好的聖誕禮物。新的引力波信號的發現，讓我們可以更精確地討論宇宙中的雙黑洞併合事件的發生率；也告訴了我們初始黑洞可以擁有不小的自旋。新的信號的探測，讓我們相信，第一次探測不是偶然，人類探測到GW150914，並不是運氣好，而是儀器升級後功力大增之後當今年的LIGO第二次觀測運行開始時，當年底Virgo加入聯合觀測時，當明年高新LIGO完成全面升級大大提高，會有怎樣的新觀測，又會解釋怎樣的新物理，都是未知，而未知，往往蘊含著驚喜。

（編輯：Calo）

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