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又见引力波 依然有惊喜

2017-06-07 10:47 来源:科技日报

  5月31日,LIGO-Virgo合作组织宣布探测到又一个确定的引力波事件(GW170104)。这是人类第三次探测到高置信度的引力波信号。如果说对第一次探测到引力波,公众也许心存质疑,第二次探测则可能被视为巧合,那么,第三次探测势必大大增强LIGO团队的整体信心和公众对此的信任度。

  这次令人激动的信号来自30亿光年外。这个距离远大于之前两次的引力波事件。在宇宙深处,两个互相绕转的恒星级黑洞在0.1秒的时间发生并合。它们巨大的“体重”触发了周围时空的急剧变化,并以波的形式向外辐射。这个时空的波动就是我们所说的引力波。在浩瀚的宇宙中,它以我们所知的最快速度——光速——向外传播,30亿年后到达地球。在这个漫长的旅途中引力波的振幅变得微乎其微,以至于我们很难在繁杂的背景噪声中发现它。

  相信大家还记得第一次和第二次探测到的双黑洞系统质量分别为62和21个太阳质量,第三次探测到的双黑洞系统质量介于两者之间,为49个太阳质量。然而,从纯理论计算和电磁观测结果来看,宇宙中几乎不会存在大于20个太阳质量的黑洞。不得不说LIGO的结果带来了巨大的惊喜,让我们看到更多的宇宙奥秘!

  这次引力波事件带来的惊喜不止这些。双黑洞的自旋方向对理解双黑洞形成机制很重要。科学家认为双黑洞系统有两种形成可能:孤立双星演化,或者一颗黑洞捕捉另一颗。从此次分析的结果来看:双黑洞各自自旋方向和轨道方向不完全一致,这暗示双黑洞系统形成于致密的恒星簇中。另外,由于自旋方向影响着相互绕转轨道,使其产生“进动”现象。这将反映在引力波波形上。正如广义相对论所预言:黑洞自旋会对波形演化产生至关重要的影响。因此,通过观测引力波波形、进一步对黑洞自旋进行限制将有助于我们理解和检验广义相对论的动力学预言。

  由于最新探测到的引力波具有目前最长的传播距离,这将有利于验证广义相对论关于引力波性质的另一预言——引力波无色散。LIGO科学团队成员经过一系列分析给出了色散振幅的上限值约为10-19。这意味着,从目前的观测来看,广义相对论所预言的引力波零色散与实验结果非常吻合。

  这次探测与前一次相隔一年多,难道在此期间aLIGO(第一代LIGO的升级版)毫无收获?事实恰好相反。aLIGO于2015年9月开始投入运行。第一轮科学运行期间确定捕获到了GW150914和GW151226两次引力波事件。其实另有一疑似引力波事件(LVT151012)被探测到,但由于其置信度较弱而未引起关注。在此基础上,aLIGO的工作人员对数据处理的方法、波源的模拟、探测器的灵敏度等方面做了系统的改进。正如阿尔伯特—爱因斯坦研究所驻汉诺威和波茨坦的负责人所说:“我们现在的引力波探测器具有有史以来最高的灵敏度。也就是说:我们正准备着为自然的力量而惊讶。”第二轮科学运行于2016年11月30日开始,预计到2017年6月截止。到目前为止,除GW170104事件之外,另有6个触发信号被探测到,这些信号仍需要进一步的数据分析来确定是否为引力波。由此可见,aLIGO探测引力波并非偶然,它逐渐在寻找引力波的漫漫长路上明确了前行的方向。

  LIGO在1980年代由加州理工学院和麻省理工学院的两个激光干涉实验室合作成立。成立之初,LIGO经历了很多管理纠纷,导致美国科学基金会持谨慎态度。直到1994年团队给出完善的研究计划及项目预算,获得美国科学基金会3亿9千万美元的项目预算,打破基金会赞助项目纪录。在LIGO-Virgo合作组织联合招待的第一次科学发布会上,美国科学基金会的代表人作为主要代表发言时,流下激动的泪水。他们出于对科学家的信任和对科学项目的了解,作出了大胆的投资,等待了35年才等到回报。当然这个回报是历史性的,是突破人类能力和认知的又一极限。至今LIGO合作组织已有1000多名科学家,100多个科研机构,分布在18个国家。其中华人科学家有20多名。

  今年秋天,欧洲的Virgo探测器将与现在位于美国Hanford和Livingston的探测器一起进行联合探测。届时探测的空间精度将会大大提高。与此同时,aLIGO第三轮运行也将开始。随着LIGO及其他地面干涉仪精度的进一步提高,探测时间的延长,我们有希望看到各种不同的引力波源,比如双中子星合并,超新星爆发等,以及更多超出想像的引力波事件。

  (李瑾系重庆大学物理系副教授,储琪系澳大利亚国家引力波研究中心研究助理;两位均系LIGO科学合作组织成员)

(责任编辑:王蔚)

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