如何看待 LIGO 團隊再次發現引力波信號？

11-27

文章鏈接：

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.241103

本文應知識分子微信公眾號邀請所寫，原文鏈接：qq.com 的頁面

來自愛因斯坦的聖誕的禮物 ――LIGO再次探測到引力波

2016年2月11日凌晨，LIGO科學合作組織宣布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窗口。

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Gabriela González宣布，LIGO又一次觀測到了一對黑洞併合產生的引力波信號：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，在最後的一秒鐘里，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。

圖1：位於美國的LIGO漢福德(H1,左圖)和利文斯頓(L1,右圖)探測器所觀測到的GW151226引力波事件。圖中顯示兩個LIGO探測器中都觀測到的由該事件產生的引力波強度如何隨時間和頻率變化。兩個圖均顯示了GW151226信號在1秒的時間裡面「橫掃」30Hz到800Hz。和GW150914相比，由於本次兩個黑洞質量較小，所以在這個圖上的信號沒有之前那麼明顯。（此圖版權為LSC/Virgo Collaboration所有）

圖2：GW151226事件的顯著性分析。可以看到本事件的顯著性大於5倍標準差，所以這是一次確定無誤的科學發現。（此圖版權為LSC/Virgo Collaboration所有）

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布的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？

表一：LIGO發現的兩次引力波事件和一次疑似事件的參數對比。

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里的要小，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信號的持續時間大約是1秒，而GW150914隻有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，和信號強弱有關。信號越強，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。

圖3：GW150914和GW151226的天區位置，可以看到VIRGO上線之後，天區位置測定的精度將大大提高。（此圖版權為LSC/Virgo Collaboration所有）

最後，在觀測時間上，這三個事件都是在高新LIGO運行的O1（O1是高新LIGO第一次正式運行）階段發現的（GW150914在O1正式運行前的試運行階段被發現），在短短四個月的觀測時間內，我們發現了三個引力波事件。即將運行的O2靈敏度更高，觀測時間更長，可以想像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-ray binary）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射線雙星觀測數據的黑洞質量範圍之內，意味著引力波的觀測數據第一次可以用來和別的觀測手段的數據相比較，這對於天體物理來說具有重要意義。

圖4：目前通過X射線觀測到的黑洞（橙色）與引力波觀測到的黑洞（藍色和綠色）質量比較。通過引力波發現的黑洞的質量都比較大。由於引力波的觀測數據，刷新了人類對黑洞質量分布的認知。（圖片來自https://gravity.astro.cf.ac.uk/plotgw/bhbubble.html）

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的觀測數據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像的更多。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信息是渾然無知的。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「分布」了！根據這三個事件的觀測數據，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的運行，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！

當ligo公布探測到GW150914的時候很多人仍然非常懷疑，為了證實確實觀測到了引力波，需要做下面兩件事情:

第一，找到電磁輻射或者中微子的counterpart；
第二，聯合其他的引力波天文台探測到更多的事件.

今年二月當PRL發布LIGO文章之後，感覺arXiv已經被GW的文章佔領。很多文章在討論引力波源、電磁波counterpart和中微子counterpart.

Fermi衛星的結果(arXiv:1602.03920)

圖中灰色區域表示事件在地球上被LIGO探測到時由於地球遮擋Fermi衛星觀測不到的區域. 引力波事件GW150914有75%的幾率落在Fermi衛星可以觀測的區域。Fermi衛星搭載的Gamma-ray Burst Monitor (GBM) 在LIGO探測到引力波信號0.4秒後記錄到了一個持續時間達1s的暫現信號（false alert的概率為0.0022），這很有可能是GW150914的電磁counterpart. 如果假設Fermi的信號和LIGO的信號來自同一個源的話可以將90%置信度下的位置誤差範圍從601 $m deg^2$ 提高到199 $m deg^2$ .

然後，果然，LIGO宣布探測到了更多的引力波事件，引用文章結尾的一句話

These results herald the beginning of GW astronomy and provide the first
observational insights into the physics of BBHs.

這些發現預示著引力波天文學的來臨同時提供了研究雙黑洞物理的深入視角。

文章內容的簡單說明見 LIGO Scientific Collaboration

刷直播刷到凌晨三點，困翻了......

不過這個新聞還真是大，當然它不是大在第二次探測，而是大在LIGO項目的下一步展望。

第一次探測的意義是證明了這玩意兒真的存在，而且就是愛因斯坦老爺子預言的那樣，而且可以聽到（霧）。
這其中還藏著一條信息：第一次觀測是在去年9月14日，也就是LIGO在升級為Advanced LIGO之後剛剛開始觀測的時候，這運氣是好到爆了？
其實不至於，可能黑洞融合釋放引力波的現象，要比我們想像中的容易觀測很多。

結果呢，果不其然。
10月12日一次candidate，12月26日一次證實了的觀測，這還是在Advanced LIGO升級後第一輪50天觀測的結果，此時的LIGO也僅以40%的靈敏度在運行，就已經有了3次探測。
在這之後，LIGO將進一步升級，在今年秋天投入下一輪觀測，而其他地區的探測設備，如將在今年年底投入使用的Virgo，也將陸續建成並和LIGO組網，可能到時候，引力波的觀測也將成為家常便飯了。

這個前景真的是太光明了，一大包數據在等著我們啊！（括弧笑）
簡而言之，在LIGO的支持之下，我們終於可以說我們已經進入引力波天文學研究的新紀元了！
一顆賽艇！

怎樣看？來現場看啊
（實地圖片）位於路易斯安那Livingston的實物圖

控制室

初代LIGO反射鏡實物--------------------------------------------------------------------
如果對微納米機械電子技術，物聯網，可穿戴感興趣的同學，歡迎關注新上線專欄
微納機電系統（MEMS/NEMS）微納機電系統（MEMS/NEMS） - 知乎專欄
近期文章
MEMS（微機械系統）如何實現眼動追蹤？ - 微納機電系統（MEMS/NEMS） - 知乎專欄

揭開MEMS（微機械系統）的面紗 - 微納機電系統（MEMS/NEMS） - 知乎專欄

當時就有人分析引力波事件應該很常見不然那次開機之後不會不久就有結果

就放一張圖。看到人民群眾的浪潮了嗎 ?(手動微笑)

附上鏈接: https://view.inews.qq.com/a/TEC201606160017790G 我覺得這樣看法的人，不盡然是所謂民科，也不盡然是所謂反智主義。
許多人唯一的消息來源，就是各種公眾號和這些新聞app了。因此這些觀點，只是他們通過僅有的渠道所發出的，無所謂對與錯，區別只在片面和無限接近全面。
我也不贊同以一種居高臨下的態度對待所謂民科。畢竟相比郭英森這種招搖撞騙型，那些造出各種飛機潛艇的人還是體現了相當強的執行力，不然民科也不可能在大眾群體中獲得那麼高的認同度。
所以，我們是應該同情?應該鄙視?還是視而不見? 對此我是比較消極的，你的個人看法如何不想什麼改變，我只說我的。

從光學望遠鏡到射電望遠鏡，現在我們終於有引力波望遠鏡了

我想是不是在宇宙中正在某處發生某個星際戰爭，結果戰爭的餘波被我們接收了。

宇宙比我們想像的還要喧囂熱鬧。
這次事件距離上一次黑洞相撞事件發生時間如此的接近，說明有非常大的置信度證明在宇宙中引力波事件是非常常見的。
放心吧，以後觀測到的事件將會越來越多，我們對宇宙的認識也將前進到一個新的階段。

問個小白問題，別笑我，不是宇宙膨脹么？黑洞的前身應該也是巨大恆星，為何不是距離越離越遠？為何坍塌成黑洞後要融合？因為局部引力大於宇宙宏觀膨脹力？這是否又預示著所有恆星坍塌成黑洞後都會撞擊合併，這是否又是宇宙的終極，也就是合成新的奇點？也就是熵的逆轉。。

黑洞都可以合併了，單身狗還是單身狗，原來我比黑洞還嚇人啊

一個引力波算啥，中科院發現磁單極子怎麼沒看到你們這群學霸興奮。
引力波早就被計算出來了，起碼二十世紀的物理學常識了。
但是你見過磁單極子嗎。
你知道發現磁單極子的意義嗎。
發現引力波是證實了科學理論，但是磁單極子是推翻了科學理論。
為啥中科院這麼牛逼的發現沒看到你們這群公眾號的學霸出來大肆宣傳呢。
好像磁單極子是去年中科院的新聞，我在微軟體驗店裡面使用win10開發版，隨手點開新聞就看到了，當時嚇得我差點把飲料吐到那個Surface pro 3上。。。

媽的智障們。