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原标题:乘着引力波,去看30亿年前的双黑洞(组图)

2016年的2月和6月,LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, 激光干涉仪引力波天文台)和Virgo(室女引力波探测器)科学组织联合,先后公开宣布了两次探测到的引力波事件,一下子在全世界掀起了引力波的关注和研究热潮,而且这被认为是科学史上100年来的最大突破。而在刚刚过去的2017年5月31日北京时间11点(美国东部时间早晨11点),LIGO和Virgo科学组织召开了一次内部媒体发布会,宣布了第三例引力波合并事件。新当选的LIGO发言人是麻省理工学院的大卫· 舒梅克(David Shoemaker)教授,他宣布此aLIGO在2017年的1月4日发现了来自于两个黑洞合并的引力波,此事件被命名为GW170104。

GW170104双黑洞系统想象图

值得一提的是,在引力波的触发方式上,这次的引力波和前两次引力波不同。对于一个正常的引力波,会同时被位于美国路易斯安纳州Livinston和华盛顿州Hanford的探测器探测到。被观测到之后,数据会被实时地进行分析比对。如果两个探测器都探测到了可能的引力波信号,那么分析程序就会触发自动报警,说明可能的引力波被探测到了。前两次的引力波就在被探测到的几分钟之内,系统就自动触发报警探测信号。然而这次却没有。不过在例行的数据检查中,这个引力波信号首先在Livingston的观测数据中被发现,当LIGO的科学家们再回头去看Hanford的数据时,发觉Hanford其实也观测到了,只是因为校对数据设置得不对,所以此信号才没有被触发。这个设置并不影响数据本身,所以在之后的离线处理过程当中,使用更高精度的校对文件,确认了这是一次真正的引力波事件。此次发现的引力波信号仅仅持续了大约0.25秒。

观测到的引力波频率演化图和引力波信号时标对比图

黑洞看似神秘,实为宇宙间最为简单的一类天体,通常只需三个量(质量,自转和电荷)就可以描述一个理论上的黑洞,物理学家把这称为“三毛定理”(或“无毛定理”)。对于宇宙当中真实存在的黑洞而言,描述就更为简单,只需要质量和自转两个量。(因为黑洞周围通常存在着自由电荷,即使黑洞本来带电荷,也很容易达到中性。)质量和自旋都会决定观测到的引力波波形,所以一旦测量到了引力波,通过波形比对,我们就可以知道黑洞合并前后的这些物理量的大小了。

通过比对此次观测的波形和不同参数模型,LIGO的科学家们得出结论:此次发现的引力波事件和之前的两例类似,也是来自于两个黑洞的合并。在合并之前,两个黑洞的质量分别为31.2和19.4个太阳质量,合并后产生了一个48.7太阳质量的黑洞。而消失的接近两个太阳质量,在黑洞合并的一瞬间,以引力波的形式释放出去了,而那一刻所产生的能量要比整个宇宙中所有恒星释放出来的能量之和多几十倍。之前的引力波确认了62和21个太阳质量黑洞的存在,这一次的49个太阳质量的黑洞,介于两者之间,无疑让我们确信高于20个太阳质量黑洞的普遍存在。

引力波探测到的黑洞(蓝色和绿色)和电磁辐射探测到的黑洞(紫色)对比图,引力波探测到的黑洞质量都是比较大的。新探测的黑洞系统GW170104用绿色标出。

此外,借助观测到的引力波波形,科学家们也对黑洞的自转做出了测量。在天文学中,我们通常使用一个介于0-1之间的数值,来表示黑洞转动的快慢。数值0意味着没有任何转动,1对应着黑洞视界面上的转动速度为光速。限于数据质量的精度(误差较大),科学家们目前仅对合并后的黑洞转动快慢做出了限制,数值约为0.64,即黑洞视界面的转动速度约为光速的一半。

在除过对黑洞的自转之外,还对自转的方向得到了测量。但通过模型比对,我们至少可以知道,两个黑洞都存在着所谓“进动现象”(precession),也就是说,黑洞自身转动方向和两个黑洞绕转的轨道平面并不完全一致,存在着一定夹角。双黑洞有两中主要的形成机制,一种是原生系统,另外一个是通过交换。进动现在的存在倾向于是通过交换方式产生了双黑洞系统。这是首次从观测上给出黑洞系统形成机制的证据。

我们看到,美国和欧洲的引力波天文台目前在主导着引力波的探测工作,过去是,接下来的一段时间还是。但是随着LIGO探测的推进,中国的引力波探测方面已经迎来一股前所未有的热潮。目前,太极计划和天琴计划这两个空间项目正各自推进,将于地面探测原初引力波的阿里计划(位于西藏阿里地区)已通过立项,并开始建设。除此之外,中国还准备利用刚刚建好的500米射电望远镜(FAST)和正在建设的平方公里阵(SKA),以脉冲星计时阵的方式探测引力波。

引力波漫漫其修远兮。在5月31日的发布会上,有听众向科学家提出了这样的问题:你期待10年之后LIGO或引力波天文学能做出什么新发现呢?大卫·舒梅克回答道:“我期望着能有完全意想不到的、完全超出我们的想象事件的发生。”宇宙就是这么奇妙,而引力波已经向我们证明了这一点,在未来也将证明更多。

原标题:乘着引力波,我们去看看30亿年前的双黑洞!

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