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來自宇宙的圣誕禮物——LIGO發(fā)現(xiàn)了第二個引力波信號

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有一個很著名的“心靈雞湯”：

-你知道世界第一高峰是什么嗎？

-珠穆朗瑪峰。

-那你知道世界第二大高峰么？

-……

-所以這就是你要得第一的原因。

這個故事有沒有道理先放一邊，不過它倒是很好地詮釋了LIGO兩次引力波事件關(guān)注度的差距。什么，你還不知道LIGO又發(fā)現(xiàn)了一個引力波信號？那么且聽我慢慢講來吧。

圖中是藝術(shù)家繪制的G W 150914（左）和GW151226（右）雙黑洞并合事件藝術(shù)圖。雖然這兩個事件被畫在了一幅圖中，但實際上卻發(fā)生于不同的天區(qū)位置，就連探測到的時間也有先后。這幅圖旨在從大小尺度上直觀地告訴我們這兩次發(fā)生的黑洞并合事件中，黑洞質(zhì)量的差異大小。在GW150914事件中，兩個黑洞質(zhì)量分別為太陽質(zhì)量的29倍和36倍，而GW151226事件中的兩個黑洞質(zhì)量分別為太陽質(zhì)量的8倍和14倍。圖片來源：LIGO官網(wǎng)

圣誕節(jié)的禮物

北京時間2016年6月16日凌晨，LIGO（激光干涉引力波觀測臺）宣布發(fā)現(xiàn)第二個引力波信號。這個信號發(fā)生在北京時間2015年12月26日11時38分53秒（美國東部時間25日22時38分53秒）。

圣誕節(jié)（12月25日）在歐美是一個非常重要的節(jié)日，大多數(shù)人都會休假在家。而LIGO的幾百名科學(xué)家在接到探測器發(fā)出的警報信號后迅速停止了休假，回到了工作崗位，排查驗證信號的真實性，對觀測數(shù)據(jù)進行處理分析。

最終，這個信號被證實為引力波信號，統(tǒng)計置信度高于5個標(biāo)準(zhǔn)方差。這個信號是由兩個黑洞并合時產(chǎn)生的，兩個黑洞的質(zhì)量分別為14個太陽質(zhì)量和7.5個太陽質(zhì)量，信號持續(xù)了1秒左右，并合過程中釋放出的能量相當(dāng)于一個太陽的質(zhì)量。

這個圣誕節(jié)禮物還真是不尋常??！

只是上一次的翻版？

雖然兩次引力波事件都是黑洞并合形成的，但是這次的信號——GW151226與今年2月11日宣布探測到的引力波信號GW150914（見2016年第3期《天文愛好者》）相比還是有些新奇之處的。

圖中為兩次信號的對比，上圖為GW150914，下圖為GW151226。明顯前者比后者的信噪比要高得多。圖片來源：PRL 116, 061102 (2016)和PRL 116, 241103 (2016)

首先，GW151226比GW150914要弱很多：前者的信噪比只有10左右，而后者的信噪比則達(dá)到了24。這意味著我們需要好的數(shù)據(jù)處理方法將該信號從噪聲中分離出來，而LIGO做到了。畢竟，未來我們需要面對的是大量的低信噪比信號，需要在紛亂的噪聲中找到我們需要的信息，而不是像GW150914那樣少見而清脆的“哨聲”。這讓我們更加期待LIGO今后的表現(xiàn)。

其次，這次相撞的兩個黑洞質(zhì)量更小，更為常見。在信號GW150914中，兩個黑洞質(zhì)量分別為太陽質(zhì)量的29倍和36倍。我們對于質(zhì)量這么大的黑洞知之甚少。而這次的兩個黑洞質(zhì)量分別為太陽質(zhì)量的8倍和14倍，這種大小的黑洞在銀河系里更為常見，我們研究的也更多，對其性質(zhì)了解得更深入。同時，質(zhì)量小的黑洞并合持續(xù)時間會更長，這可以使我們獲得黑洞并合過程中更加詳盡的數(shù)據(jù)。

通過這次觀測還測得，參與并合的黑洞有不小的自旋。自旋信息是解密雙黑洞系統(tǒng)形成過程的一把鑰匙，而在第一次的引力波信號中，由于兩個黑洞相互繞轉(zhuǎn)過快，儀器分辨率不夠，并沒有測量到黑洞并合前的自旋。

LIGO的探測工作已經(jīng)非常顯著地幫助我們獲悉了更多黑洞的質(zhì)量信息。目前的觀測設(shè)備已經(jīng)確鑿地探測到了兩組黑洞的并合事件（亮藍(lán)色部分），對于這兩次并合事件，LIGO既給出了并合前兩個黑洞各自的質(zhì)量，也給出了并合發(fā)生后的質(zhì)量。圖中以虛線標(biāo)示的事件對應(yīng)于信號過于微弱而不足以被定義成“探測到”的候選事件。圖片來源：LIGO官網(wǎng)

下一個引力波信號會是什么時候？

說實話，LIGO宣布發(fā)現(xiàn)第一個引力波信號的時候，雖然很令人興奮，但是，沒人敢說下一個信號什么時候會出現(xiàn)。因為兩個如此大質(zhì)量的恒星級黑洞在距離我們不遠(yuǎn)的地方相互繞轉(zhuǎn)并合是一件比較稀有的事件，LIGO能夠拿下引力波的首次發(fā)現(xiàn)還有一定的運氣因素。而這一次則是其他設(shè)備，甚至是升級以前的LIGO（見2015年第11期《天文愛好者》）都無法探測到的信號。據(jù)估計，這樣的信號平均一個月地球上就可以接收到一次?？梢韵胍姡诩磳㈤_始的LIGO下一個觀測周期里，引力波事件將不再是一個新鮮的話題了。

引力波探測的未來與機遇

GW20151226的可能位置，最外面的紫線為90%的方向不確定度。圖片來源：LIGO官網(wǎng)

探測到引力波信號，是對相對論百年懸案的一個終結(jié)，但也是物理學(xué)和天文學(xué)領(lǐng)域一個新的領(lǐng)域的開端。在解決了“有沒有”的問題后，自然我們就希望向著更完美的方向邁進。這就是科學(xué)——每解決一個舊問題，都會引出一百個新問題。

1.更好的定位精度。LIGO雖然能探測到引力波信號，但是因為只有兩個探測器，而且它們之間（相對于光速）距離較近，很難精確確定引力波源的位置，這使得在茫茫宇宙中搜索引力波源的電磁波對應(yīng)體非常困難。目前發(fā)現(xiàn)的兩個引力波源，只有GW150914找到了一個疑似的伽瑪暴對應(yīng)體。不過，即將開始觀測的VIRGO（室女座引力波探測器，意大利、法國共建），開始試運行的KAGRA（神岡引力波探測器，日本），發(fā)射中的eLISA（美國、歐洲合作），以及計劃中的建于印度的第三臺LIGO探測器、中國的天琴、太極兩個引力波探測計劃等多個項目的加入可以使引力波探測形成空地一體的全球網(wǎng)絡(luò)，使引力波源的定位精度得到提高，也終將讓我們可以全方位了解引力波源的性質(zhì)。

2.更靈敏的探測設(shè)備。雖然LIGO的靈敏度已經(jīng)可以觀測恒星級黑洞并合時發(fā)出的引力波，但是對于天文學(xué)家來講，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。我們更希望能探測到中子星乃至白矮星并合甚至繞轉(zhuǎn)時的引力波信號，這將對現(xiàn)有天文學(xué)理論產(chǎn)生極大的影響。LIGO本身兩年內(nèi)或可將其靈敏度提高三倍左右，而下一代引力波探測器在靈敏度上會有大幅提高。未來，我們將擁有一個龐大的引力波樣本庫，為宇宙學(xué)、星系天文學(xué)、恒星演化等方向的研究提供新的路徑。

3.更高的時間分辨率。目前，雖然LIGO的時間采樣的響應(yīng)能力有0.01秒，眨眼的工夫都不到，但是，在面對兩個黑洞“激情碰撞”的時候，還是會錯過很多細(xì)節(jié)。目前引力波的存在已經(jīng)毫無疑問了，未來我們將會建立一些側(cè)重于觀測精度而非靈敏度（當(dāng)然，肯定比現(xiàn)在的儀器靈敏度高）的引力波探測器，讓我們可以更好的探尋宇宙的秘密。

番外

據(jù)說，在伽瑪暴等爆發(fā)型事件的巡天項目中，圣誕節(jié)期間總是事件發(fā)生較少的時段。這倒不是因為上帝看在圣誕的份上暫緩了活動，而是因為研究人員為了過個好假期把告警的閾值調(diào)高了?？磥鞮IGO的工作人員沒有偷這個懶，盡心盡力地完成了工作，當(dāng)然，也收到了份不錯的圣誕禮物。

（責(zé)任編輯 馮）