當地時間10月3日11時45分(北京時間10月3日17時45分),2017年諾貝爾物理學獎揭曉!一如人們此前的預測,本次獎項被美國物理學家雷納·韋斯(Rainer Weiss)、巴里·巴里什(Barry C.Barish)以及基普·索恩(Kip S.Thorne)所分享——“為了他們對於LIGO探測器和引力波的觀察的重要貢獻”。
回顧LIGO組織發現引力波
2016年2月11日凌晨,LIGO科學合作組織宣佈人類首次直接探測到雙黑洞併合產生的引力波事件GW150914,從此打開了一扇人類探索宇宙的新視窗。
時隔僅僅4個月,北京時間2016年6月16日凌晨1時15分,在美國加州聖地亞哥舉行的美國天文學會第228次會議上,LIGO科學合作組織發言人、美國路易斯安那州立大學物理與天文學教授GabrielaGonzález宣佈,LIGO又一次觀測到了一對黑洞併合產生的引力波訊號:GW151226。當時,LIGO科學合作組織的大多數科學家還沉浸在聖誕假期的節日氣氛中,這次“時空的漣漪”被研究人員親切稱為“來自愛因斯坦的聖誕禮物”,於2015年12月26日UTC(協調世界時)03:38:53抵達地球。
和GW150914類似,GW151226同樣來自雙黑洞併合。本事件發生於14億光年外的宇宙深處,兩個分別為14.2和7.5倍太陽質量的黑洞,在相互環繞的過程中由於引力輻射慢慢靠近,在最後的一秒鐘裡,它們發生了併合,生成了有20.8倍太陽質量的黑洞。在這個過程中,大約有一個太陽質量的物質以引力波的形式輻射到宇宙中去,引力波峰值強度比全宇宙電磁輻射的總強度還亮十倍以上。
兩次確鑿、一次疑似引力波事件!
除了上面的兩個引力波事件之外,在去年的10月12日,LSC的科學家們還發現了一次疑似引力波事件:LVT151012。為什麼稱它是疑似事件呢,因為這個事件的距離我們很遠(大約30億光年),所以信噪比相對弱一點,顯著性也只有1.7倍標準差,因此不能確定為科學發現。但是LSC內部不少科學家傾向於相信,這也是一次雙黑洞併合事件。
回到LIGO科學合作組織此次公佈的GW151226事件,與之前的GW150914、以及疑似引力波事件LVT151012相比,有什麼異同呢?
首先,請注意三次事件的信噪比、光度距離還有雙黑洞的質量。由於GW151226距離地球比GW150914稍微遠一點(分別為14億光年和13億光年),而且其系統中的黑洞質量也比GW150914裡的要小,所以GW151226的信噪比為13,小於GW150914的23.7。儘管如此,GW151226的顯著性還是大於5倍標準差,可認為是一次新的引力波時間探測。而LVT151012由於距離比較遠,信噪比和顯著性都比較低,只能當做一次疑似引力波事件。
其次,GW151226中的兩個黑洞的質量是最小的,因此它併合花了更長時間,在探測器的探測範圍內訊號的持續時間大約是1秒,而GW150914只有0.2秒。
再次,三次事件都顯示併合後的新黑洞具有較大的自旋值(0.7左右)。
第四,在天空定位的精度上,LIGO對GW150914事件的測定最為精確,範圍在230個平方度之內。對於最弱的LVT151012,位置的不確定範圍在1600個平方度。對引力波事件平方度的測定,和訊號強弱有關。訊號越強,對位置的測定越精確。當然,等位於義大利的高新VIRGO探測器上線後(預計今年年底),屆時我們將有三個引力波探測器,多了一個“耳朵”之後,我們對未來引力波事件的天區位置測定精度將大大提高。
最後,在觀測時間上,這三個事件都是在高新LIGO執行的O1(O1是高新LIGO第一次正式執行)階段發現的(GW150914在O1正式執行前的試執行階段被發現),在短短四個月的觀測時間內,我們發現了三個引力波事件。即將執行的O2靈敏度更高,觀測時間更長,可以想象一年後這張表格會變得多長!
對天體物理的影響
在第一次發現GW150914之後,很多天體物理學家對宇宙中存在如此大質量的雙黑洞系統比較吃驚。因為對X射線雙星(X-raybinary)的觀測顯示,宇宙中不存在這麼大質量的雙黑洞系統。另外,一些黑洞形成理論(比如公共包層理論)雖然可以解釋這樣的大質量的雙黑洞系統如何形成,但是人類第一次引力波探測事件就來自於這樣的大質量黑洞併合,強烈暗示現有天體物理低估了較大質量黑洞併合的機率。本次GW151226中的雙黑洞質量在X射線雙星觀測資料的黑洞質量範圍之內,意味著引力波的觀測資料第一次可以用來和別的觀測手段的資料相比較,這對於天體物理來說具有重要意義。
GW151226的發現對黑洞形成理論也有非常重要的啟示。現在有很多種黑洞形成的理論。有些理論認為,一對大質量恆星在一起產生之後共同演化,最終在它們的生命最後階段生成了雙黑洞系統。還有一些理論認為,在宇宙中的某些區域中,恆星更加緊密地聚集著,雙黑洞系統也可能形成於兩個一開始各自演化的大質量恆星在互相作用後最終形成的雙星系統。GW151226的觀測資料與這兩種形成理論都符合,所以,現階段我們並不能判斷哪種理論是更有可能的。
此外,GW151226、GW150914和LVT151012的發現表明,宇宙中的恆星質量雙黑洞系統比我們想象的更多。這些初始的發現對我們理解這些雙黑洞群是非常重要的第一步,在此之前我們對這些資訊是渾然無知的。第一次事件可以稱為“發現”,第二次事件可以說是“統計”,但是三次便可以做“分佈”了!根據這三個事件的觀測資料,我們對雙黑洞併合率的估計為:每年在每立方Gpc的空間內有9-240次黑洞併合。相信隨著O2、O3的執行,會有越來越多的引力波事件將被我們發現。激動人心的引力波天文學,已經邁向黃金時代!
以下為網友評論:
網友“中山使用者66xxxx658”:到底是什麼。引力波還是冷凍電鏡
網友“意念”:全是專用術語。
網友“虛影化柔心”:看不懂……反正就是感覺挺牛逼的。