当地时间10月3日11时45分(北京时间10月3日17时45分),2017年诺贝尔物理学奖揭晓!一如人们此前的预测,本次奖项被美国物理学家雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、巴里·巴里什(Barry C.Barish)以及基普·索恩(Kip S.Thorne)所分享——“为了他们对于LIGO探测器和引力波的观察的重要贡献”。
回顾LIGO组织发现引力波
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GabrielaGonzález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。
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?
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。
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-raybinary)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。
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!
以下为网友评论:
网友“中山用户66xxxx658”:到底是什么。引力波还是冷冻电镜
网友“意念”:全是专用术语。
网友“虚影化柔心”:看不懂……反正就是感觉挺牛逼的。