【前沿】来自宇宙深处的礼物:两次确凿、一次疑似引力波事件

GAIR

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雷锋网按;本文作者明镜,马克斯·普朗克引力物理研究所博士、LIGO科学合作组织成员。文章首发知识分子公号。

“除了利用引力波对恒星演化、黑洞和广义相对论进行以前不可能做的研究之外,一旦探测到了引力波事件的电磁波对应体,就能够确定该事件发生的星系。即使不能探测到引力波事件的电磁波对应体,如果将来引力波测量的精度提高或者观测到距离更近的引力波事件,就可以对引力波源的方向测量达到较高的精度,加上引力波测量本身可以确定引力波源的距离,就很可能证认出该事件发生的星系。星系的红移是比较容易测量的,所以就可以把引力波作为新的“标准烛光”研究宇宙的膨胀。相比超新星等其它标准烛光,引力波标准烛光更加干净和准确,而且不依赖于宇宙距离’梯子’。因此,不仅仅引力波天文学的时代已经不可阻挡地到来了,引力波宇宙学也必将成为一个新的研究领域,这对于恒星演化、黑洞形成以及宇宙演化等研究都将具有划时代的意义。” ——《知识分子》邀请中科院高能物理研究所研究员张双南发表评论

►LSC发言人,路易斯安那州立大学物理与天文学教授Gabriela González宣布,LIGO再次发现黑洞并合产生的引力波!

|“来自爱因斯坦的圣诞节礼物”

在人类首次探测到双黑洞并合产生的引力波GW1509143个月之后,LIGO又一次观测到了一对黑洞并合产生的引力波信号:GW151226。就在 LSC(LIGO科学合作组织)的大多数科学家沉浸在圣诞假期的时候,这次“时空的涟漪”宛如圣诞礼物, 于2015年12月26日UTC(协调世界时)03:38:53抵达地球。

和 GW150914类似,GW151226同样来自双黑洞并合。本事件发生于14亿光年外的宇宙深处,两个分别为14.2和7.5倍太阳质量的黑洞,在相互环绕的过程中由于引力辐射慢慢靠近,在最后的一秒钟里,它们发生了并合, 生成了有20.8倍太阳质量的黑洞。在这个过程中,大约有一个太阳质量的物质以引力波的形式辐射到宇宙中去,引力波峰值强度比全宇宙还亮十倍以上。

►位于美国的LIGO汉福德(H1,左图)和利文斯顿(L1,右图)探测器所观测到的GW151226引力波事件。

图中显示两个LIGO探测器中都观测到的由该事件产生的引力波强度如何随时间和频率变化。两个图均显示了GW151226信号在1秒的时间里面“横扫”30Hz到800Hz。和GW150914相比,由于本次两个黑洞质量较小,所以在这个图上的信号没有之前那么明显。(此图版权归LSC/Virgo Collaboration所有)

►GW151226事件的显著性分析。可以看到本事件的显著性大于5倍标准差,所以这是一次确定无误的科学发现。(此图版权为LSC/Virgo Collaboration所有)

|两次确凿、一次疑似引力波事件

除了上面两个引力波事件之外,在去年的10月12日,LSC的科学家们还发现了一次疑似引力波事件:LVT151012。为什么称它是疑似事件呢,因为这个事件的距离我们很远(大约30亿光年),所以信噪比相对弱一点,显著性也只有1.7倍标准差,因此不能确定为科学发现。但是LSC内部不少科学家倾向于相信,这也是一次双黑洞并合事件。

那么GW151226和之前的GW150914,还有LVT151012相比,有什么异同呢?

►LIGO发现的两次引力波事件和一次疑似事件的参数对比。

第一,请注意事件的信噪比、光度距离还有双黑洞的质量。

由于GW151226比GW150914稍微远一点(分别为14 亿光年和13亿光年),而且其系统中的黑洞质量也比GW150914里的要小,所以GW151226的信噪比为13(小于GW150914的23.7)。尽管如此,GW151226的显著性还是大于5倍标准差,可认为是一次新的引力波时间探测。而LVT151012由于距离比较远,信噪比和显著性都比较低,只能当做一次疑似引力波事件。

第二、GW151226中的两个黑洞的质量是最小的,因此它并合花了更长时间,在探测器的探测范围内信号的持续时间大约是1秒,而GW150914只有0.2秒

第三,三次事件都显示并合后的新黑洞具有较大的自旋值(0.7左右)。

第四,在天空定位精度上,LIGO对GW150914测定最为精确,范围在230个平方度之内(就是角度的平方,类似以于平方米和米的区别)。

对于最弱的LVT151012,位置的不确定范围在1600个平方度。对引力波事件平方度的测定,和信号强弱有关。信号越强,对位置的测定越精确。当然,等高新VIRGO探测器上线后(预计今年年底),届时我们将有三个引力波探测器,多了一个“耳朵”之后,我们对未来引力波事件的天区位置测定精度将大大提高。

►GW150914和GW151226的天区位置,可以看到VIRGO上线之后,天区位置测定的精度将大大提高。(此图版权为LSC/Virgo Collaboration所有)

最后,在观测时间上,这三个事件都是在高新LIGO运行的O1阶段发现的(GW150914在O1正式运行前的试运行阶段被发现),在短短三个月的观测时间内,我们发现了三个引力波事件。即将运行的O2灵敏度更高,观测时间更长,可以想象一年后这张表格会变得多长!

|对天体物理的影响

在第一次发现GW150914之后,很多天体物理学家对宇宙中存在如此大质量的双黑洞系统比较吃惊。因为对X射线双星(X-ray binary)的观测显示,不存在这么大质量的双黑洞系统。另外,一些黑洞形成理论(比如公共包层理论)虽然可以解释这样的大质量的双黑洞系统如何形成,但是人类第一次引力波事件就来自于这样的大质量黑洞并合,强烈暗示现有天体物理对较大质量黑洞并合率是低估了。本次GW151226中的双黑洞质量在X射线双星观测数据的黑洞质量范围之内,这意味着引力波的观测数据第一次可以用来和别的观测手段的数据相比较,这对于天体物理来说具有重要意义。

►目前通过X射线观测到的黑洞(橙色)与引力波观测到的黑洞(蓝色和绿色)质量比较。

通过引力波发现的黑洞的质量都比较大。由于引力波的观测数据,刷新了人类对黑洞质量分布的认知。(图片来自gravity.astro.cf.ac.uk)

GW151226的发现对黑洞形成理论也有非常重要的指示作用。

现在有很多种黑洞形成的理论。有些理论认为,一对大质量恒星在一起产生之后共同演化,最终在它们的生命最后阶段生成了双黑洞系统。还有一些理论认为,在宇宙中的某些区域中,恒星更加紧密地聚集着,双黑洞系统也可能形成于两个一开始各自演化的大质量恒星在互相作用后最终形成的双星系统。GW151226的观测数据与这两种形成理论都符合,所以,现阶段我们并不能判断哪种理论是更有可能的。

此外,GW151226、GW150914和LVT151012的发现表明,宇宙中的恒星质量双黑洞系统比我们想象的更多。这些初始的发现对我们理解这些双黑洞群是非常重要的第一步,在此之前我们对这些信息是浑然无知的。第一次事件可以称为“发现”,第二次事件可以说是“统计”,但是三次便可以做“分布”了!根据这三个事件的观测数据,我们对双黑洞并合率的估计为:每年在每立方Gpc的空间内有9-240次黑洞并合。相信随着O2、O3的运行,会有越来越多的引力波事件将被我们发现。激动人心的引力波天文学,已经迈向黄金时代!

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原文发布于微信公众号 - AI科技评论(aitechtalk)

原文发表时间:2016-06-16

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