LIGO發現第3例引力波事件

2017年6月1日，美國的激光干涉儀引力波天文台（LIGO）宣布，成功探測到第3例引力波信號。與前兩次探測一樣，該信號也來自於兩個黑洞的碰撞與併合。這個併合事件形成的黑洞質量相當於太陽的49倍，正好介於LIGO探測到的前兩例併合事件的黑洞質量之間——前兩例併合事件的黑洞質量分別是太陽的62倍和21倍。

新當選的LIGO科學合作組織發言人，美國麻省理工學院的戴維·休梅克（David Shoemaker）說：「我們有了進一步的證據，表明大於20倍太陽質量的黑洞是存在的，這是在LIGO探測到引力波信號之前我們所不知道的事情。」

新發現來自於LIGO的第二次科學運行階段，始於2016年11月30日，預計將持續到今年夏天。LIGO是一個引力波天文台，由美國自然科學基金會資助，並由美國加州理工學院和麻省理工學院共同運行。它擁有兩架結構完全相同的探測器，分別位於華盛頓州的漢福德（Hanford）和路易斯安那州的利文斯頓（Livingston）。LIGO科學合作組織包含了國際上1000多名科學家，他們同歐洲的Virgo合作組一道開展LIGO相關的引力波研究。

引力波信號，第3例！

升級改造後的LIGO，也就是所謂的高新LIGO，在2015年9月開始了第一次科學運行，並且發現了人類歷史上第一例被直接探測到的引力波事件，緊接著在2015年12月又探測到了第二例信號。第3例信號於2017年1月4日被LIGO的兩個探測器探測到，因而被命名為GW170104。這些信號有一個共同特徵，就是均來自於雙黑洞的併合。這些黑洞併合是宇宙中最劇烈、最高能的事件，併合期間輻射的引力波能量超過了宇宙中所有的恆星和星系在同時段內發出的光能的總和！

2017年1月4日，LIGO的兩台探測器記錄下了第3例得到確證的引力波信號。圖片來源：LIGO科學合作組織和Virgo合作組發表於《物理評論快報》的論文。

上圖顯示了兩個LIGO探測器記錄下的GW170104信號。這是一個典型的「啁啾」信號：在兩顆黑洞互相繞轉、彼此靠近直至最終併合的過程中，信號的頻率和強度會一直持續增大。科學家使用超級計算機對LIGO的觀測數據進行分析，可以從中得出信號源的一些特徵，比如兩個黑洞的質量、到地球的距離，以及它們在天空中所處的方位。產生GW170104信號的那兩個黑洞的併合過程，距離地球足有30億光年，比第一例引力波信號的13億光年和第二例信號的14億光年都要更遠。這兩個黑洞的質量分別是太陽的31.2倍和19.4倍，最終併合成一個質量相當於太陽48.7倍的大黑洞，另外相當於太陽2倍質量的能量則以引力波的形式輻射出去了。

黑洞家庭新成員

下面這張圖片，形象地展示了恆星量級黑洞家族的一幅「全家福」。紫色代表利用X射線天文觀測推算出的黑洞質量，藍色則代表LIGO通過引力波觀測估計的黑洞質量。

目前觀測到的恆星級黑洞家族全家福。縱軸標示出了黑洞的質量，紫色代表利用X射線天文觀測推算出的黑洞質量，藍色則代表LIGO通過引力波觀測估計的黑洞質量。圖片版權：LIGO科學合作組織/Sonoma State University/Aurore Simonnet

黑洞的引力是如此之強，以至於光也無法逃脫。黑洞不能被人類直接「看」見，因為它不輻射電磁波。在LIGO探測到引力波之前，天文上研究黑洞的一個主要手段是觀測X射線雙星，比如由普通恆星和黑洞組成的雙星系統。當一顆恆星非常靠近黑洞的時候，黑洞可以利用其巨大引力吞噬恆星的物質，這一過程會輻射X射線。雖然X射線不能直接被人的肉眼所感知，科學家利用空間望遠鏡來研究X射線雙星並估計黑洞質量。目前為止，這種手段觀測到的黑洞質量都不到太陽質量的20倍。

黑洞是極其緻密的！GW170104事件產生的大黑洞，質量相當於太陽的49倍，但是其半徑僅有100多千米（作為比較，太陽的半徑為70萬千米！）。兩個黑洞高速繞轉至併合的最終瞬間，速度可以達到光速的一半。根據愛因斯坦的廣義相對論，這種黑洞併合的過程將引起時空的震顫，輻射大量的引力波。LIGO對這種引力波信號的觀測可以直接測量黑洞的質量。迄今為止，LIGO觀測到的雙黑洞併合事件形成的黑洞都在太陽質量的20倍以上。GW170104的發現進一步證實了這類「微胖」黑洞的存在。

雙黑洞形成之謎

此次LIGO的發現，還有助於我們最終解開雙黑洞形成之謎。

一般來說，恆星量級的雙黑洞系統有兩種形成機制。在第一種模型中，兩個黑洞幾乎同時誕生——由兩個大質量恆星構成的雙星系統，分別經歷超新星爆發而各自形成一個黑洞。這種機制下，黑洞自轉方向跟相互繞轉的軌道方向通常是一致的。第二種模型中，黑洞在緻密星團中相遇並成雙結對走到一起。這種情況下黑洞可以繞任意方向旋轉。

黑洞自轉和雙黑洞軌道運動示意圖。圖片版權：LIGO科學合作組織/Sonoma State University/Aurore Simonnet

雖然還無法確切測量新引力波事件中那兩個黑洞的自轉方向和速度，但GW170104首次提供了證據暗示，這兩個黑洞中至少有一個，自轉軸與相互繞轉的方向可能沒有對齊，從而微弱地支持了這對雙黑洞形成於緻密星團的起源模型。

在不久的將來，隨著越來越多的雙黑洞併合事件被發現，我們有望通過引力波來解開雙黑洞形成之謎。

考驗相對論

這項研究還對愛因斯坦的理論進行了再次檢驗。

舉例來說，研究人員在數據中尋找了所謂的色散效應。光在玻璃之類的介質中傳播時，不同波長的光傳播速度也不同，這種現象稱為色散，也是三稜鏡能夠把陽光分解成彩虹顏色的原因所在。在從源頭傳播到地球的過程中，愛因斯坦的廣義相對論不允許引力波發生任何色散效應。LIGO也確實沒有找到色散的任何證據。

「愛因斯坦似乎是對的——哪怕這起最新的引力波事例，距離要比前兩次的遠上大約兩倍。」LIGO科學合作組織副發言人、美國喬治亞理工學院的勞拉·卡多納蒂（Laura Cadonati）說，「我們發現觀測結果與廣義相對論的預言之間不存在任何偏差，而這次更遠的距離也讓我們在作出這一論斷時有了更大的信心。」

「LIGO裝置的靈敏度已經達到了驚人的地步。」Virgo合作組發言人、荷蘭國家亞原子物理研究院及阿姆斯特丹自由大學物理學家喬·范德布蘭德（Jo van den Brand）說，「我們期待到今年夏天，Virgo這台位於歐洲的干涉儀能夠擴展這一探測器網路，幫助我們更好地定位引力波信號。」

相關研究論文6月1日發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。（編輯：Steed）

參考文獻

LIGO科學合作組織和Virgo合作組發表於《物理評論快報》的論文

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