[科普中國]-人類再次直接探測到引力波，這意味著什么？

北京時間今天（2016年6月16日）凌晨，LIGO合作組宣布：2015年12月26日03:38:53 （UTC），位于美國漢福德區(qū)和路易斯安那州的利文斯頓的兩臺引力波探測器同時探測到了一個引力波信號；這是繼 LIGO 2015年9月14日探測到首個引力波信號之后，人類探測到的第二個引力波信號。和第一次引力波信號相同，這次的引力波來自兩個黑洞的合并。但第一次引力波信號來自兩個稍重的黑洞合并，而這一次的引力波信號來自大約14億光年外，兩個更常見的、恒星級質(zhì)量的黑洞合并（兩個黑洞分別為8和14倍太陽質(zhì)量）。LIGO 探測到的這次引力波大約持續(xù)了1秒鐘，這次雙黑洞合并把大約一個太陽的質(zhì)量轉(zhuǎn)換為純能量，以引力波的形式釋放出來。圖1: 位于美國的漢福德區(qū)和路易斯安那州的利文斯頓的兩臺儀器探測到的引力波信號。引力波是什么？根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，時空是一個整體，其中的大質(zhì)量天體會讓時空產(chǎn)生彎曲。如果把時空中運(yùn)行的天體想象成蹦床上玩耍的孩子們，那么在時空上傳播的引力波就如同由于孩子的蹦跳而激起的在蹦床表面的顫動。當(dāng)兩個黑洞相互繞轉(zhuǎn)并最終碰撞在一起時，巨大的引力波向四面八方傳播開，這就像在蹦床的中心有兩個小胖子在使勁地跳躍，顫動就以波的形式向外傳遞。當(dāng)蹦床上的顫動傳遞到蹦床上遠(yuǎn)處兩個靜止不動的螞蟻處時，這兩只螞蟻之間的相對距離也被迫發(fā)生改變。類似地，在宇宙中原本靜止的兩個物體，因為引力波的到來而發(fā)生了相對位置的改變，這就是引力波探測器的工作原理。LIGO是怎么探測引力波的？位于美國的LIGO （Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，激光干涉儀引力波天文臺）和位于歐洲的 Virgo （Virgo interferometer，處女座干涉儀） 是世界上兩個正在運(yùn)行的大型引力波探測裝置。它們的工作原理大體相同，即通過激光干涉的方法測量出兩面相距數(shù)公里的鏡子之間相對位置的變化，并以此來感知引力波的存在。LIGO 有兩臺分機(jī)，分別建在美國的漢福德區(qū)和路易斯安那州的利文斯頓。LIGO 在2015年九月份經(jīng)過升級改造重新開機(jī)后不久，就首次探測到了來自13億光年外兩顆中等質(zhì)量黑洞的合并發(fā)出的引力波信號，從而開啟了引力波天文學(xué)時代。Virgo 建造在意大利的卡系納，也即將完成升級改造，使其具有更高的靈敏度。這次的新發(fā)現(xiàn)有什么意義？由于這次的引力波信號來自兩個更小的黑洞合并，因此信號強(qiáng)度也比上一次的更弱。盡管如此，這次信號的置信概率也達(dá)到了5.3個sigma以上，滿足了科學(xué)上確認(rèn)“發(fā)現(xiàn)”的要求（5個sigma以上）。通過對比兩臺LIGO分機(jī)記錄到的引力波到達(dá)時間，科學(xué)家可以大致確定出此次引力波的位置。因為這次的引力波信號幾乎同時到達(dá)兩臺分機(jī)，因此科學(xué)家認(rèn)為合并的兩個黑洞大致位于天空中到兩臺儀器距離相同的一個帶狀區(qū)域。未來Virgo 以及第三臺LIGO的加入，將會大大提高引力波的定位精度。在LIGO完成升級之前，科學(xué)家們即預(yù)測升級后的LIGO可以做到平均數(shù)月即發(fā)現(xiàn)一個引力波事例。在LIGO升級剛剛完成，還處在試運(yùn)行階段的9月，它就記錄下了人類發(fā)現(xiàn)的第一個引力波信號GW150914。隨后天文學(xué)家用工作在各種波段的望遠(yuǎn)鏡，包括射電、光學(xué)、X射線以及Gamma 射線望遠(yuǎn)鏡都進(jìn)行了觀測，試圖找到GW150914的對應(yīng)體，但可惜一無所獲。時隔三個半月之后的第二次引力波信號，與先前科學(xué)家估計的LIGO發(fā)現(xiàn)引力波的事件率吻合，這也在一定程度上消除了人們對第一次引力波信號的懷疑。另外，通過這一次的引力波信號，科學(xué)家推測出其中一個參與并合的黑洞具有很高的自轉(zhuǎn)速度 (大約達(dá)到其極限自轉(zhuǎn)速度的60%)，這意味著這個黑洞可能經(jīng)歷了吸積過程。而吸積過程將釋放出X射線信號，因此這一次，天文學(xué)家有可能找到它在電磁波段的對應(yīng)體，從而精確地定位出這個引力波源的位置。引力波天文學(xué)，未來可期現(xiàn)在LIGO又進(jìn)入了新一輪的升級，在其重新開始探測，并且Virgo也升級完成、加入探測之后，我們可以期待新的引力波信號會像井噴一樣出現(xiàn)。這將刷新我們對宇宙中黑洞性質(zhì)、數(shù)量、分布等的認(rèn)知。如果說LIGO第一次探測到引力波標(biāo)志著人類第一次聽到宇宙的聲音，那么第二次探測到雙黑洞并合事件就意味著引力波探測能成為科學(xué)家研究天體現(xiàn)象的常規(guī)工具，引力波天文學(xué)正式開啟。盡管探測到來自黑洞合并的引力波已經(jīng)是一件大事情了，但畢竟這種信號已經(jīng)被科學(xué)家精確預(yù)測，在計算機(jī)模擬中“司空見慣”了。引力波天文學(xué)最激動人心的事情，是探測到科學(xué)家從未見過的全新引力波信號，而這一時刻尚未到來！作者：易疏序，中科院高能物理研究所粒子天體物理學(xué)博士、《環(huán)球科學(xué)》特約譯者，研究方向為中子星計時探測引力波。轉(zhuǎn)載請注明來自“科普中國”。