LIGO和室女座觀測站探測黑洞碰撞

【博科園-科學科普】2016年2月11日激光干涉引力波天文台(LIGO)的科學家們宣布了首次發現引力波。這一發展證實了一個世紀前愛因斯坦的廣義相對論的預言，為宇宙學家和天體物理學家開闢了新的研究途徑。從那時起已經有了更多的探測，所有這些都被認為是黑洞合併的結果。

雙黑洞合併概念圖。圖片版權：LIGO/A. Simonnet.

最新的檢測發生在2017年8月14日當時有三個天文台——先進的LIGO和先進的室女座探測器——同時探測到合併黑洞產生的引力波。這是世界上三種不同的設施第一次探測到引力波，從而開啟了一個全球聯網研究這個宇宙現象的新時代。

最近LIGO科學合作和處女座的合作在網上公布了這些觀察結果。這項研究的標題為「GW170814：一個雙黑洞合併引力波的三探測器觀測」，這項研究也被發表在科學期刊《物理評論快報》上。

室女座天文台的鳥瞰圖。圖片版權：The Virgo collaboration/CCO 1.0

這一事件被指定為GW170814，被觀察到10:30:43 UTC(06:30:43 EDT);03:30 . 43 PDT)2017年8月14日這一事件被國家科學基金會的兩個LIGO探測器(位於路易斯安那州的利文斯頓和華盛頓的漢福德)和位於義大利比薩附近的室女座探測器檢測到，該探測器由國家科學研究中心(CNRS)和國家核物理研究所(INFN)維護。

雖然不是第一個被探測到引力波的實例，但這是第一次有三個觀測站同時探測到一個事件。作為國家科學基金會的負責人，法國科爾多瓦最近在LIGO的新聞發布會上說：一年半前國家科學基金會宣布，它的激光干涉引力波天文台首次探測到引力波，這是在10億光年之外的星系中兩個黑洞碰撞產生的。今天我們很高興地宣布了處女座引力波天文台與LIGO科學合作的第一次發現，這是第一次在相距數千英里的觀測站觀測到引力波探測。這是一個令人興奮的里程碑，在不斷增長的國際科學努力中，揭開了我們宇宙的非凡奧秘。

根據探測到的波，LIGO科學合作(LSC)和室女座合作能夠確定事件的類型，以及涉及的物體的質量。根據他們的研究這一事件是由兩個黑洞的合併引起的——分別是31和25個太陽質量。這一事件發生在離地球18億光年的地方，形成了一個旋轉的黑洞大約有53個太陽質量。

圖註：

LIGO的兩個設施位於路易斯安那州的利文斯頓和華盛頓的漢福德。圖片版權：ligo.caltech.edu

這意味著在合併過程中大約有3個太陽質量被轉換成重力波能量，然後由LIGO和室女座探測到。儘管這一最新發現本身令人印象深刻，但它僅僅是對LIGO和處女座合作的引力波探測器的一種體驗，因為它們已經進入了先進階段並與彼此合作。

先進的LIGO和先進的處女座都是第二代的引力波探測器，它們已經取代了以前的探測器。LIGO的設施是由加州理工學院(Caltech)和麻省理工學院(MIT)運營的，在2002年至2010年期間未能成功收集到數據。然而到2015年9月，高級LIGO上線開始進行兩項觀察——O1和O2。

與此同時最初的處女探測器在2003年到2011年10月之間進行了觀察，但又一次沒有成功。到2017年2月先進的室女座探測器開始整合，並於次年4月上線。在2007年處女座和LIGO也合作分享並共同分析各自探測器記錄的數據。

在2017年8月室女座探測器加入了O2運行，並且在8月14日進行了第一次同步檢測，所有三個LIGO和室女座儀器都收集了數據。作為LSC發言人David Shoemaker——麻省理工學院(MIT)的一名研究人員指出，這種檢測只是許多預期事件中的第一個。

圖註：

兩個黑洞合併的概念圖，這被認為是引力波的來源。圖片版權：Bohn, Throwe, Hébert, Henriksson, Bunandar, Taylor, Scheel/SXS

這僅僅是處女座和LIGO在一起工作的網路觀察的開始。隨著下一個計劃在2018年秋季進行，我們可以每周甚至更頻繁地期待這種檢測。這不僅意味著科學家們可以更好地探測未來的事件，而且他們也能夠以更高的準確度來精確定位他們。事實上從兩到三探測器網路的過渡預計將增加一個20人的工廠精確定位GW170814的可能性。GW170814的天空區域只有60平方度——比LIGO的干涉儀數據小十倍以上。

此外測量到源距離的準確性也得益於這種夥伴關係。正如喬治亞理工學院教授、LSC的副發言人Laura Cadonati解釋的那樣：這種增加的精確度將使整個天體物理社區最終能做出更令人興奮的發現，包括多信使的觀測。一個更小的搜索區域，可以通過望遠鏡和衛星對產生引力波和發射光的宇宙事件進行後續觀測，例如中子星的碰撞。

引力波概念圖。圖片版權：NASA

最後將更多的探測器引入到引力波網路中，也將允許更詳細的測試愛因斯坦的廣義相對論。加州理工大學LIGO實驗室的執行董事David h . Reitze也讚揚了新的夥伴關係和它所允許的。

通過先進的LIGO和室女座探測器的第一次聯合探測，我們進一步進入了重力波宇宙。處女座帶來了一種強大的新能力，可以探測和更好地定位引力波源，這無疑會導致未來令人興奮和意想不到的結果。

對引力波的研究證明了世界科學團隊和干涉測量學的能力正在不斷增強。幾十年來，引力波的存在僅僅是一個理論;到了世紀之交，所有發現它們的嘗試都一無所獲。但在過去的18個月里，已經有了多次探測，預計在未來幾年內還會有數十次探測。

更重要的是由於新的全球網路和改進的儀器和方法，這些事件肯定能告訴我們關於宇宙和支配它的物理學的數量。

參考：NSF, LIGO-Caltech, LIGO DD

作者：Matt Williams

來自：Universe Today

編譯：中子星

審校：博科園

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