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再次探測到引力波,你想知道的在這裡!

美國西部時間6月15日上午10點15分,激光干涉引力波天文台(LIGO)在新聞發布會上再一次宣布他們聽到了兩個黑洞合併所發出的聲音,這一信號由 LIGO 位於華盛頓州Hanford和路易斯安那州Livingston的引力波探測器捕捉。參加此次新聞發布會的人員分別是LIGO科學合作組織的新聞發言人Gabriela González、加州理工學院LIGO實驗室所長Dave Reitze,還有歐洲VIRGO引力波探測器的新聞發言人Fulvio Ricci。

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為什麼去年聖誕發現的信號,現在才對外發布?

今年二月新聞發布的第一次雙黑洞合併時間發生在去年9月14號,它的觀測是非常清晰的,肉眼都可以看見時間頻率圖的變化,看上去更明顯。這次的一個信號雖然當時已經探測到了,但科學家需要對觀測數據進行更精確地分析處理來確定它們是真實的雙黑洞合併事件而非噪音,因此後面這兩個信號的數據分析時間和複雜度要比第一個更大。

這次探測到的引力波信號為何命名為GW151226?

據了解,這一引力波事件被命名為GW151226,即發生在2015年12月26日,由兩個分別為14.2和7.5個太陽質量的黑洞合併引起,距LIGO首次發現捕捉到引力波(2015年9月14日)不到4個月的時間。

這次發現的雙黑洞並和事件和第一次有何異同?

LIGO研究人員表示,跟第一次引力波一樣,GW151226的黑洞併合同樣發生在距離地球大約14億光年的地方。

不同的是,第一次事件中的黑洞質量分別為36和29個太陽質量,併合之後釋放的能量約為3個太陽質量。而第二次事件的黑洞質量分別為14.2和7.5個太陽質量,併合之後釋放的能量約為1個太陽質量。

上次的信號非常清晰,這次信號的數據處理的技巧性比較強。上一次只看到雙黑洞併合之前非常短的時間,這次對併合事件的觀測時間更長一些。另外,因為黑洞質量的不同,此次引力波事件的持續時間(1秒)約為第一次事件的5倍,而此次信號頻率範圍在35~430赫茲之間,比第一個事件的頻率範圍(35~250赫茲)要更高一些。

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第二次探測到引力波意味著什麼?

從愛因斯坦在一個世紀以前提出引力波的概念開始,到科學家連續兩次捕捉到引力波,這是天文學史上非常重要的時刻。來自澳大利亞國立大學的天體物理學家Susan Scott表示:「這將促進天文學的發展,我們可以根據這些數據映射出更多我們此前從未見過的宇宙。」

第二次探測到引力波打消了大多數科學家對第一次探測到的引力波是雜訊的疑慮,可以區分引力波和環境雜訊,並提高信號的可信度。GW151226是一個統計顯示度很高的波源,統計顯示度達到了5.3倍的標準差。從統計的角度來講,它也是非常可信的。只有一個雙黑洞合併事件時,人們會質疑是否是雜訊,當有兩個,或者有更多個在路上的時候,我們就會更相信這件事情。

這兩次成功探測引力波的事件讓我們會對宇宙中的黑洞合併幾率做出限制。當LIGO完全完成升級,可能我們會觀測到更多。如果等待時間過長,等了兩年仍是只有一個雙黑洞合併事件,那麼也會讓科學家產生疑慮。如果是頻繁發生的事件,有更多的觀測數據來支撐研究,那就會有更多的科學家投入到這項研究中。

從兩次引力波的發現來看,現有的觀測裝置有哪些不足?

現有的引力波探測器很少。美國現在有兩台探測器,有人開玩笑說:「一個是LIGO,另外一個也是LIGO。」這就造成我們雖然可以探測到引力波波源,但沒法知道這個波源從哪裡來。我們也不能從光學波段、電磁波角度來研究合併前後的引力波源,這使得引力波的應用更受局限。更重要的是建造更多的引力波探測器,能夠更加精確引力波源位置的不確定性。

此外,需要提高探測器的靈敏度。去年半年,LIGO研究組探測到兩個引力波波源,探測器靈敏度升級後,將會看到更多。我們需要一個統計的樣本才能把引力波作為真正研究天文學的武器。像是研究電磁波段,我們有很多的望遠鏡,會有大量的照片、光譜、數據來支撐研究。如果引力波探測器一年只有兩個數據,那對引力波研究是無法繼續深入的。

國外再次發現引力波,我國探測引力波是否已經滯後?

的確,我國在這個方向是相對落後的。但是引力波研究正處於初始階段,長遠來看,中國的引力波天文有非常大的機遇。因為現在地面的探測器都是第一代探測器,就像最早的光學望遠鏡非常簡陋,很多重要的東西都是要升級後才能觀測到一樣。中國雖然沒能趕上引力波發現的浪潮,但現在也有很多項目正在緊張的籌劃中。如果我們能建成探測能力更強的引力波探測器,在這個領域也可能有更重要的發現。

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放置在國家天文台 X 射線束流裝置中進行檢測的龍蝦眼光學組件樣機

除了引力波的直接探測以外,尋找引力波的電磁波對應體也是非常重要的。如果我們想用引力波來研究宇宙學、宇宙膨脹的話,一定要找到它電磁的電磁波對應體。這是可以大力發展的方向,光學望遠鏡及正在研究中的X射線衛星愛因斯坦探針(Einstein Probe,簡稱EP)等都可能在尋找引力波電磁波對應體方面作出重要貢獻。

早在1916年,愛因斯坦就曾經表示,引力波是由宇宙中最具有爆炸性事件而引發的,比如恆星爆炸或者黑洞合併等等。而當我們在地球上探測到這些信號時,它們已經變得非常微弱,因為發生事件的地點離地球太遠了。

能夠可靠地探測引力波,意味著我們將擁有一個全新的方式來查看和測量我們周圍空間的對象和時間。LIGO研究團隊的Robert Ward博士表示:「引力波天文學將徹底改變我們對宇宙的認識。」




(專家:李然 中國科學院國家天文台副研究員,部分內容出自激光干涉引力波天文台(LIGO)官網)

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作者寫於2016-06-16
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