叒见引力波!科学家秘密会议记录
出品:科普中国
制作:黑洞来客 苟利军 黄月
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  引力波无疑是2016年科学界最大的新闻之一。2016年2月和6月,LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, 激光干涉仪引力波天文台)和Virgo(室女引力波探测器)科学组织联合,先后公开宣布了两次探测到的引力波事件,街头巷尾都在议论着引力波,这被认为是科学史上100年来的最大突破。 

  此后一段时间里,关于探测到更多引力波事件的谣言不断出现,但并未得到官方的确认。5月31日,在距离上次发布会近一年之后,LIGO和Virgo科学合作组织举行了一次内部媒体发布会正式确认了第三次引力波事件。 

 

  图1:双黑洞合并模拟 

    

   在大众传媒中间,引力波似乎已成为一个过气话题,而对于科学家们来说,对于引力波的探索和研究才刚刚开始。 

   LIGO发言人大卫·舒梅克(David Shoemaker)在发布会上说,他期待着,十年之后,引力波领域的新发现将超出我们的想象。 

   黑洞来客团队以自由撰稿人的身份申请旁听了这次内部发布会,这一次,人类又发现了哪些宇宙的小秘密呢? 

    

一、一次略显神秘的“秘密发布会”

   虽然发布会的召开时间是北京时间5月31日深夜,但今天并没有什么关于引力波的新闻见诸报端。 

   原因有二: 

   一来,之前两次发布会都采用了视频直播的方式,声势浩大。 

   

  图2  此前两次视频发布会是这样式儿的(图片来自网络) 

  这次则选择了更为方便的电话会议,参会人员不必专程聚集到某一个地点;这也表明了引力波探测事件的日常化,随着探测灵敏度的提高,将有越来越多的引力波事件被发现,隆重的视频发布会已不再必要,除非发现全新的天文现象。 

  二来,依据主办方规定,关于此次新闻发布会的报道须在24小时后才能发布,也就是北京时间6月1日23时之后。   

  不仅如此,为了保证内容不被提前透露,这次发布会采用了邀请加入的方式(RSVP),须事先得到组织方的加入指南,才能进入电话会议中。黑洞来客团队以自由撰稿人的身份申请旁听,很快获得回复和批准。在进行连接和登记之后,我们进入了这场“秘密会议”的“大厅”。 

  麻省理工学院教授大卫·舒梅克是新当选的LIGO发言人,他首先宣布advanced LIGO(简称aLIGO,原来激光干涉引力波天文台的升级版)发现了来自两个黑洞合并的新引力波源GW170104,以及本次新发现引力波事件的基本特征。 

  与之前的LIGO相比,改进后的aLIGO灵敏度更高,探测范围更远。 

  它于2015年9月开始正式运行,在2016年年初结束了第一期的运行。在此期间,它探测并确认了我们此前熟知的两个引力波事件——GW150914和GW151226。 

  经过短暂的修整和调试,aLIGO从去年11月30日开始第二次运行,预计今年8月份结束。在第二次运行过程中,aLIGO发现了此次公布的GW170104事件。此时距离上一个引力波确认事件,已过去了一年时间。 

  相隔时间看似漫长,但从LIGO官方主页我们可以看出,aLIGO在此次运行过程中已探测到了6例引力波新事件(http://www.ligo.org/news/index.php#O2May2017update),平均每月一次!只不过其它更多数据还在分析和验证中。 

    

二、30亿年前一场用时0.1秒的大事件

  黑洞看似神秘,实为宇宙间最为简单的一类天体。 

  为什么这么说?因为通常我们只需三个量(质量,自转和电荷)就可以描述一个理论上的黑洞,物理学家把这称为“三毛定理”(或“无毛定理”)。 

  对于宇宙当中真实存在的黑洞而言,描述就更为简单,只需要质量和自转两个量。(因为黑洞周围通常存在着自由电荷,即使黑洞本来带电荷,也很容易达到中性。) 

  科学家们通过引力波测量黑洞的质量和自转,有着非常大的优势。一旦测量到了引力波,通过波形比对,我们就可以知道黑洞合并前后的这些物理量的大小了。 

 

  图3  观测到的引力波频率演化图和形变演化图 

  通过比对此次观测的波形和不同参数模型,LIGO的科学家们得出结论:此次发现的引力波事件和之前的两例类似,也是来自于两个黑洞的合并。 

  在合并之前,两个黑洞的质量分别为31.2和19.4个太阳质量,合并后产生了一个48.7太阳质量的黑洞黑洞合并的一瞬间,以引力波的形式释放出了近2个太阳质量的能量,那一刻所产生的能量要比整个宇宙中所有恒星释放出来的能量之和多几十倍 

  这次气势恢弘的黑洞合并被LIGO在两个不同地方的探测器(分别位于Hanford和Livingston)同时观测到了,Hanford早探测到了3毫秒。整个信号过程只持续了短短的0.1秒。 

    

  这场合并发生在距离我们30亿光年的地方。自事件发生起,经过了宇宙间30亿年的传播,才最终抵达我们的地球。LIGO之前探测到的两个事件,分别位于13亿和14亿光年之外。 

  这也说明了aLIGO运行状态良好,甚至可以说是超常发挥了。因为按照之前的估计,aLIGO应该最远可探测到23亿光年之外由两个30太阳质量黑洞合并的信号,而这次的30亿光年远远超出了科学家们的预估。 

    

三、认识黑洞的一块重要拼图

  相较于此前两次热闹的引力波事件,这次发现有什么重大意义吗?对科学家们来说,意义不小。 

  如果你还记得的话,之前的两次黑洞合并,最后形成的黑洞的质量分别62(第一次)和21(第二次)个太阳质量。在LIGO探测到黑洞之前,单纯从理论的角度计算,宇宙中很难产生高于20个太阳质量的黑洞。即便是从观测角度看,我们在电磁波段看到的最大质量黑洞也只有15个太阳质量,所以人们通常认为,更高质量黑洞在宇宙中是不存在的 

  然而,LIGO给了我们一个惊喜! 

  更大质量的黑洞的的确确存在于我们的宇宙之中。在这次探测中,人类又发现了49个太阳质量的黑洞,进一步确认了更高质量黑洞的存在,扩大了我们对于黑洞的认知。 

   

          图4:引力波探测到的黑洞(蓝色和绿色)和电磁辐射探测到的黑洞(紫色)对比图,引力波探测到的黑洞质量都是比较大的。图中绿色的是新探测的黑洞系统GW170104。引力波探测到的黑洞(蓝色和绿色)和电磁辐射探测到的黑洞(紫色)对比图,引力波探测到的黑洞质量都是比较大的。新探测的黑洞系统GW170104用绿色标出 

    

   此外,借助此次引力波事件,科学家们也对黑洞的自转做出了限制。 

   在天文学中,我们通常使用一个介于0-1之间的数值,来表示黑洞转动的快慢。数值0意味着没有任何转动,1对应着黑洞视界面上的转动速度为光速。限于数据质量的精度(误差较大),科学家们目前仅对合并后的黑洞转动快慢做出了限制,数值约为0.64,即黑洞视界面的转动速度约为光速的一半。 

    

  尽管对于合并之前黑洞的转动未做出很好的限制,但通过模型比对,我们至少可以知道,两个黑洞都存在着所谓“进动现象”(precession),也就是说,黑洞自身转动方向和两个黑洞绕转的轨道平面并不完全一致,存在着一定夹角。 

  我们最为熟悉的“进动现象”,莫过于小时候玩过的陀螺——陀螺飞旋,除了自身的转动之外,还会围绕一个大圈进行绕转,这种自传物的自转轴又绕着另一轴旋转的现象,便是进动了。  

  而且,这一大事件还帮助科学家对双黑洞系统的形成机制做出了限制。 

  目前有两种不同的理论,用以解释双黑洞的形成:其一是原生双星系统,即两个大质量恒星诞生之初就在一起,之后一同演化到老,最终形成双黑洞系统;根据观测估计的话,银河系中有一半恒星处于双星系统当中,所以这种形成机制还是很有可能的。 

  另外一种形成机制是双黑洞形成于星团当中,最初的系统本来是一个黑洞和一个正常恒星,当该系统碰到另一黑洞时就会形成三体系统,恒星质量通常比黑洞小很多,所以恒星会被大质量的黑洞替换掉踢出系统,从而由原来的单黑洞系统变为双黑洞系统。因为星团中心通常比较致密,这种可能性也很大,无论是从理论还是数值模拟,都已证明了这一现象的发生。 

    

  那么,到底哪一种双黑洞系统的产生机制更靠谱呢? 

  按理论预计,原生双星系统诞生于同一片星云,两个黑洞的有效旋转方向和轨道运动方向通常是一致的。对于第二种交换方式而言,两个黑洞的旋转方向无需一致,可以指向任何方向,从而导致两黑洞整体的有效旋转方向和轨道运动方向不一定一致。 

  此次引力波观测拟合结果由此投出了重要一票:两黑洞的有效旋转方向和系统轨道运动方向不一致,倾向于第二种形成机制,是通过交换方式产生了双黑洞系统。 

    

四、一条引力波研究的漫漫长路

  惊喜不少,遗憾也还是有的。 

  因为实在太过遥远,我们看不到黑洞合并所在的星团,甚至连引力波所在的星系都没看到。主要原因在于目前引力波的定位还是很差,毕竟几百平方度的范围之内包含着多达几十万个星系。今年秋天,欧洲的Virgo探测器将一起加入观测,我们到时就有了三个探测器,观测的空间精度将会大大提高。 

  当然,最理想的情况是引力波源能有对应的电磁波辐射,我们就能够同时进行多信使(比如,X射线或者光学)的观测,从而精确确定其发生的空间位置。LIGO每次探测到引力波事件,都会及时将相关信息发送给合作伙伴,到目前为止,还没有观测到任何电磁对应体。黑洞系统在合并之前已不存在什么气体,所以不会产生任何电磁辐射,三次探测结果也向我们证明了这一点。 

    

  但我们还有机会。 

  并非所有人类能够探测到的引力波都来自没有任何其它辐射的黑洞合并。双中子星合并、中子星与黑洞合并,以及超新星爆发等等,都会在产生引力波的同时产生电磁辐射。只不过受限于灵敏度,我们还没观测到而已。可以确定的是,接下来随着探测能力的提高和更多引力波望远镜的建立,我们肯定会看到来自其它天体的引力波以及他们的对应体。 

    

  眼下,美国和欧洲的引力波天文台正主导着引力波的观测工作,随着LIGO探测的推进,中国的引力波研究也随之进入了一股前所未有的热潮。在理论研究的同时,中国也在积极推动直接探测引力波的望远镜项目。 

  目前,太极计划和天琴计划这两个空间项目正各自推进,将于地面探测原初引力波的阿里计划已通过立项,并开始建设除此之外,中国还准备利用刚刚建好的500米射电望远镜(FAST)和正在建设的平方公里阵(SKA),以脉冲星计时阵的方式探测引力波。 

    

  引力波探测之路漫漫其修远兮。在昨晚的发布会上,有听众向科学家提出了这样的问题:你期待10年之后LIGO或引力波天文学能做出什么新发现呢?大卫·舒梅克回答道:“我期望着能有完全意想不到的、完全超出我们的想象事件的发生。”宇宙就是这么奇妙,引力波已经向我们证明了这一点,还将继续证明给我们看。 

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