相关链接：科学家再次探测到引力波 还是双黑洞并合 Jing Ming，科学猳，摄影狮，运动猿 来自爱因斯坦的圣诞的礼物 ――LIGO 再次探测到引力波 2016 年 2 月 11 日凌晨，LIGO 科学合作组织宣布人类首次直接探测到双黑洞并合产生的引力波事件 GW150914，从此打开了一扇人类探索宇宙的新窗口。 时隔仅仅 4 个月，北京时间 2016 年 6 月 16 日凌晨 1 时 15 分，在美国加州圣地亚哥举行的美国天文学会第 228 次会议上，LIGO 科学合作组织发言人、美国路易斯安那州立大学物理与天文学教授 Gabriela González 宣布，LIGO 又一次观测到了一对黑洞并合产生的引力波信号：GW151226。当时，LIGO 科学合作组织的大多数科学家还沉浸在圣诞假期的节日气氛中，这次“时空的涟漪”被研究人员亲切称为“来自爱因斯坦的圣诞礼物”， 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电磁辐射的总强度还亮十倍以上。 图 1：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。（此图版权为 LSC/Virgo Collaboration 所有） 图 2：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！ 除了上面的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。 回到 LIGO 科学合作组织此次公布的 GW151226 事件，与之前的 GW150914、以及疑似引力波事件 LVT151012 相比，有什么异同呢？ 表一：LIGO 发现的两次引力波事件和一次疑似事件的参数对比。 首先，请注意三次事件的信噪比、光度距离还有双黑洞的质量。由于 GW151226 距离地球比 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。 其次，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。 再次，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，在天空定位的精度上，LIGO 对 GW150914 事件的测定最为精确，范围在 230 个平方度之内。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，等位于意大利的高新 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。 图 3：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（O1 是高新 LIGO 第一次正式运行）阶段发现的（GW150914 在 O1 正式运行前的试运行阶段被发现），在短短四个月的观测时间内，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，宇宙中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探测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低估了较大质量黑洞并合的机率。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，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。 图 4：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https://gravity.astro.cf.ac.uk/plotgw/bhbubble.html） GW151226 的发现对黑洞形成理论也有非常重要的启示。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！ （本文应知识分子微信公众号邀请所写，原文链接：qq.com 的页面） 阅读原文
