又看見兩個大傢伙合體，18 億光年外一群地球人興奮地笑了

相關新聞諾獎前夕，第四次引力波事件：LIGO、VIRGO 同時觀測到黑洞融合如何評價 LIGO 和 VIRGO 首次同時探測到引力波事件？與之前的事件相比有哪些地方值得關注？

中國科普博覽，我們科學家有話說

作者：黑洞來客團隊 苟利軍 @Flyingspace 黃月

2016 年 2 月，人類首次直接探測到引力波的消息如潮水般佔據了世界各大媒體的重要位置，之後又橫掃了科學界幾乎所有大獎。

只有一個獎不為所動，嗯，是哪一個你們懂得。（希望過不了多久我就能來改掉這句話）

其後，美國激光干涉引力波天文台（LIGO）相當給力，再度公布了另外兩起確認的引力波事件，並在網頁上說明，還有更多事件在等待確認。

種種跡象表明，引力波探測已經日常化，引力波時代已經到來。

LIGO/VIRGO（VIRGO 指歐洲室女座天文台）科學協同組織於北京時間 9 月 28 日凌晨 12 點 30 分，在義大利都靈召開新聞發布會，宣布了今年 8 月 14 日探測到的一例引力波事件。

我昨晚沒睡，全程觀看了這場發布會，感受是，雖然不是此前「風聲」所傳的「有史以來第一例雙中子星合併所產生的引力波」，卻也意義非凡。

這次發布會利用了 G7 峰會（七國集團首腦會議，包括美、日、德、英、法、意、加）科學部長分會的召開時間，參會人員包括 LIGO 發言人以及歐洲 VIRGO 團隊的科學家。

身為美國自然基金委員會主任的弗朗斯·科爾多瓦（France Cordova）再度亮相發布會，她此前只在引力波首次發布會上亮相，其後兩次常規發布並未出現。發布會的量級可見一斑。

我很期待她能夠公布與雙中子星相關的內容。

不料，此次宣布的、編號為 GW170814 的引力波依舊來自於雙黑洞合併。

兩個黑洞質量分別是 30.5 和 25.3 個太陽質量，合併後的質量約為 53.2 個太陽質量，也就是說，在極短的時間之內，大約有 2.6 個太陽質量以引力波的形式損失掉了。通過整個持續了大約 0.25 秒的波形振幅擬合，我們由此可以推斷，此次雙黑洞合併發生之處距離我們大約 18 億光年。

圖 1：三個探測器分別觀測到的信號時間演化圖（第一行圖為信噪比，第二行圖為對應的引力波頻率，第三行圖是對應的時空變形程度）

數光年之外的我們最多只能探測到黑洞的三個物理量——質量、電荷和角動量，這三者也被成為黑洞「三毛」。

非常神奇的是，在此次雙黑洞合併之後，表徵黑洞角動量的自旋值竟然還是 0.70——與之前三次雙黑洞系統合併得到的自旋值（分別是 0.67、0.74、0.64）相當接近。這一數據肯定在某種程度上反映了黑洞合併之前的演化歷程，只不過我們現在還不清楚個中原委。

圖 2：黑洞質量分布圖（紫色為電磁 X 射線波段發現的黑洞，藍色為引力波發現的黑洞）

為什麼說雖然此次引力波並非來自新的天文系統，但發布會依然意義重大？

因為這是歐洲室女座天文台 VIRGO 直接探測到的第一例引力波事件，意味著 VIRGO 的成功運行。

2015 年 9 月，美國的兩個 LIGO 天文台如期升級完畢，按照原計劃開始運行。在剛剛開始運行的幾分鐘時間內，便幸運地探測到了眾所周知的第一例引力波事件 GW150914，所以這一發現也被稱為「上帝的禮物」。

然而，因為只有兩個探測器，我們很難精確地確定引力波源的方位。

其給定範圍通常在幾百平方度左右，這一範圍之內的天體實在是太多了，我們很難尋找和確定雙黑洞在電磁波段的對應體。

所以，科學家們急需更多的引力波探測器加入到探測行列中去，VIRGO 就是肩負最多期待的一個。

但是，這位室女最初有那麼一丁點兒「遲鈍」。

VIRGO 於 1996 年動工始建，最早只有法國和義大利兩個國家參與。

2000 年，這兩個國家共同成立了歐洲引力波天文台，主要負責 VIRGO 的建設和升級，推廣促進引力波在歐洲的研究。

到 2003 年 6 月，VIRGO 完成了初期建設，它採用的也是和 LIGO 類似的干涉探測方式，每個臂長是 3 公里（LIGO 臂長為 4 公里）。

在測試校對之後，VIRGO 在 2007 年到 2011 年之間進行了一系列觀測，也曾與美國兩個 LIGO 天文台協作。但儘管三個設備一起運行，也未探測到任何引力波信號。

原因無他，設備整體靈敏度不足。

圖 3：（上）此次 GW170814 不同方式的定位精度比較；（下）目前已知黑洞系統源的定位精度比較

所以從 2011 年起，三個設備計劃升級，升級後設備靈敏度有望達到之前的 10 倍。本預計和 LIGO 在 2015 年一起完成升級、運行觀測，VIRGO 卻因懸掛光纖的問題遲遲未能加入。

直到今年 8 月 1 日，VIRGO 才正式加入 LIGO 的第二次科學運行（O2），展開聯合觀測，到 8 月 25 日結束，整整運行了 25 天。

升級的效果是顯著的。數據顯示，在整個聯合運行期間，VIRGO 有 84%的時間都在進行科學數據收集，狀態非常好。昨夜發布會的主角 GW170814，就是三個探測器在聯合運行 14 天時發現的。

正如現場幾位科學家所強調的那樣，VIRGO 的加入不僅為引力波探測增加了一個新的維度，更為重要的是，它使得空間位置的不確定性大大降低了（見圖 3）。

這個空間定位有了什麼樣的進步呢？

兩個 LIGO 探測器快速空間定位的範圍約為 1160 平方度；

VIRGO 加入之後，定位範圍將會收縮到 100 平方度；

如果進一步利用貝葉斯統計方法對所有可能參數進行估算，空間定位將進一步縮減至 60 平方度。

這樣一來，空間定位就足足提高了將近 20 倍，可以說是一個相當了不起的成就！

正因空間定位得到了極大提高，我們才有可能對存在電磁對應體的其他現象進行追蹤觀測，科學界期待多時的多信使天文學才有可能真正實現，人類對於諸如雙子星等天體的全面研究才有機會成為可能。

接下來，三個設備將再次進行為期一年的升級，屆時靈敏度有望再提高 2 倍，定位區域的精確度也將進一步改善！

不過，我的心中一直期盼著一個更大的新聞。那就是探測到來自雙黑洞以外的其它引力波源，比如說，雙中子星合併。

究竟有沒有呢？

我們可以先回顧下，為什麼在這次發布會前，為什麼會有「探測到的是雙中子星合併產生的引力波」這樣的「流言」誕生。

這次發布會最早是由 ScienceAlert 網站率先披露的消息，當時的文中提到，發布會將宣布今年 8 月 14 日探測到的一例引力波事件，很有可能來自雙黑洞以外的其它引力波源。

消息來源是一位在天文學界向來聲譽不錯的科學家，LIGO/VIRGO 組織有著嚴格的保密條款，在此情況下走露的風聲格外令人著迷。

來自這位科學家的消息是：LIGO 和 VIRGO 才聯合工作沒幾天，就觀測到了有史以來第一例雙中子星合併所產生的引力波。《自然》雜誌隨後發文，跟進了這一「科學流言」的整個產生和發展經過。

而 LIGO 也隨即發表聲明，既沒否認也未確認這一「流言」，只是聲稱 LIGO/VIRGO 發現了很多例事件，仍待進一步確認。

那麼這個「流言」有沒有可能成真呢？

我認為可能性很大。

根據伽瑪射線暴協調網路（Gamma-rayCoordinates Network）的消息，很多空間和地面望遠鏡（包括費米、PanSTAR、iPTF、Gemini 等）都已經觀測到了可能的雙中子星合併電磁現象。

此次發布會之所以未公布中子星相關信息，其考量一來或許因為發布會的重點在於檢驗 VIRGO 的正常運行，二來黑洞合併相較於其他引力波源來說更為簡單。雙中子星合併產生的引力波形更加複雜，存在著更多不確定性，需要科學家耗費更多時間、更加謹慎地確認。

在過去的 20 個月里，在經歷了 4 次引力波發布會之後，公眾或許已經對雙黑洞引力波的成功探測習以為常，甚至產生了審美疲勞。

不過，在科學界，引力波的直接探測才剛剛開始。而且，如果能有探測到的引力波來源確任為雙中子星合併，對科學界而言意義更為重大。

原因在於，已經宣布的四次雙黑洞合併只有引力波產生，不產生電磁輻射，而雙中子星合併既會產生引力波，也會產生電磁輻射。

所以，如果探測到來源於雙中子星的引力波事件，我們就可以將之作為引力波多信使天文學真正意義上的開端了。

除此之外，雙中子星合併通常被認為是伽馬射線暴的一類產生源，會產生很多不同的觀測現象，所以綜合引力波、電磁波等多個方式的觀測，我們能夠對中子星這一充滿謎團的天體做出更為詳細的了解。

科學家們已經看到了利用引力波研究宇宙另一面的神奇效應，引力波成為了科學家望向宇宙的第二雙眼睛，讓我們得以看到電磁波發現不了的諸多天體。

因此，更多更加靈敏的引力波天文台也正在建設之中，包括印度的 LIGO-India 以及眾多第三代引力波探測器（比如美國 Voyager 探測器）。

一旦這些探測器準備就緒，人類的天文觀測將進一步極大改善，不過或許要等到至少十年之後才能實現了。我們不妨先期盼一下近前的事情，比如，今年諾貝爾物理學獎：）

出品：科普中國

監製：中國科學院計算機網路信息中心

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