人類檢測到第四次引力波事件：穿越宇宙的時空漣漪|引力波|黑洞|天文台

　　美國和義大利的超敏探測器成功檢測到了近20億年前兩個黑洞相撞時產生的時空漣漪。這是我們第四次觀測到引力波。

圖為三台探測器採集數據的信噪比、視頻圖和時間序列數據，以及據此推出的引力波波形。

　　圖為位於華盛頓州漢福德的Ligo探測器。Ligo研究由Ligo科學協作會負責開展。該協會包含來自美國和其它14個國家的1000多名科學家。

近兩億年前兩枚黑洞的相撞被超敏探測器成功捕捉下來。

　　新浪科技訊 北京時間9月29日消息，據國外媒體報道，天文學家日前表示他們檢測到第四次引力波信號，這是穿越宇宙的時空漣漪。這也是設在美國境內的LIGO設施（激光干涉引力波天文台）第四次檢測到此類信號。去年初，該設施在人類歷史上首次檢測到引力波信號，創造了歷史。而現在，這樣的探測似乎已經成為常態，但最近的這次探測仍有其特別之處，因為這一回，首次有一個LIGO之外的設施同樣檢測到了這一信號。

　　LIGO機構是由美國國家科學基金會出資設立的，分別在美國境內的路易斯安那州和華盛頓州建立兩座完全相同的引力波檢測設施。但在歐洲的義大利境內，事實上還存在一座由歐洲建設和運行的引力波探測設施——Virgo，基本上這是一座與LIGO非常類似的設施。在8月14日，在LIGO檢測到引力波信號的幾乎同時，Virgo設施也首次檢測到引力波信號。這個信號源自大約10億光年外兩個黑洞的相互合併。不僅這一次，之前所有歷次LIGO檢測到的引力波信號均來自黑洞之間的合併，但這一次是首次世界上同時有三座引力波天文台同時檢測到同一個信號。有關這次發現的論文即將在《物理評論快報》發表。

　　同時有三座天文台檢測到同一個信號具有重要的科學意義，因為這將幫助我們更好地判定其來源位置。有了三座引力波天文台之後，科學家們可以通過引力波信號先後穿過三座天文台的微小時間差推算其位置。這一點就與我們通常需要三顆GPS衛星來幫助實現定位一樣。Virgo團隊發言人布蘭德（Jo van den Brand）對媒體表示：「此次（定位）的精度要遠勝以往。」

　　定位引力波信號的來源對於後續的跟進研究至關重要。現在，在有了定位數據之後，各類傳統的光學或射電望遠鏡便知道了該轉向哪個方位去跟蹤觀測發出引力波信號的源頭。由於這些信號源自黑洞，並不會有光產生，因此後續觀測目前還尚未產生任何有價值的結果。但如果哪天LIGO與Virgo團隊突然之間有幸檢測到來自恆星合併產生的引力波信號，那麼其他使用光學與射電望遠鏡的科學家們將有機會進行更有價值的後續跟蹤觀測。一名參與LIGO的物理學家對媒體表示：「由於有了Virgo的加入，我們進入了天文學歷史上的一個嶄新時期。」

　　這位物理學家所言的「嶄新時期」對於引力波天文學領域而言是一次巨大的飛躍。這是一個重要的領域，也是對於百年之前愛因斯坦廣義相對論進行嚴格檢驗的最後一塊主要缺失環節，幸運的是到去年2月份為止，這塊缺失的環節被彌補上了。在20世紀初，愛因斯坦提出了一項完全顛覆主流物理學理論的嶄新思想，第一次將時間與空間進行了統一，稱之為「時空」。愛因斯坦提出，物體，包括從行星到人，任何有質量的物體，都會造成其周圍時空的扭曲。而當這些有質量物體移動時，它們便會造成時空的擾動，產生時空中的「漣漪」，就像小船駛過平靜的湖面產生的道道波紋，這就是所謂的引力波。

　　然而，問題在於，要想檢測到這種時空漣漪，在技術上極其困難。比如說，一個人的移動所產生的時空漣漪，在地球上根本就不可能檢測到。這也是為何科學家們要建設LIGO和Virgo設施，這類設施能夠檢測宇宙中發生重大事件，比如黑洞或中子星等合併等過程中產生的劇烈的引力波信號。當這些緻密天體發生合併時，它們會以極高速度相互繞轉，並最終合併為一個質量更大的天體。這一過程將產生極為強烈的引力波信號，向四面八方的宇宙空間中擴散。

　　但即便如此劇烈的引力波信號，在地球上也必須依靠最為精細的設備才有可能進行探測。這也正是LIGO和Virgo發揮它們作用的地方。每一台這樣的設施都被設計成了L形，擁有兩條完全密封的真空隧道，其兩端放置了懸浮的高精度反射鏡。在兩道隧道相交會的地方，一台分體激光器分別向遠處的兩個鏡面發射兩束完全相同的激光。由於這其實是同一束激光被分光器分開後的產物，因此它們在被鏡面反射回並交會時由於頻率波長完全相同，不會產生干涉條紋。

　　圖為Virgo探測器航拍圖，從中可以看到模塊清潔大樓、中央大樓、長3公里的西側干涉臂和北側干涉臂的起始部分。此次黑洞相撞代號為GW170814，合併後產生的新黑洞質量為太陽的53倍。

圖為雙中子星系統產生的引力波的概念圖。科學家希望通過研究引力波，更好地了解早期宇宙的特性。

　　但如果有引力波漣漪通過，時空將發生扭曲，在引力波傳播方向上，隧道的長度將出現極其微小的收縮或拉伸。這樣一來，兩個方向上的隧道內激光傳播的路徑長度出現了輕微差異，交會時就會產生干涉條紋，科學家們便能檢測到引力波的存在。

　　在8月25日，LIGO完成了其從2016年11月30日開始的最後一輪觀測周期。在此期間其至少檢測到三次確鑿的引力波信號，或許還有更多。而探測精度相比LIGO設施稍弱一些的Virgo設施則在今年的8月1日開始運行，幸運的是該設施及時的趕上了8月14日發生的這次引力波事件。

　　測量數據顯示產生這次引力波信號的兩個黑洞質量分別為31倍以及25倍太陽質量，位於距離地球18億光年之外的宇宙深處。最終，這兩個黑洞合併為一個質量為53倍太陽質量的黑洞。

　　這樣的黑洞質量是比較大的，遠超過LIGO項目組的科學家們在最開始開展觀測的時候的預期。但在全部4次觀測事件中，有三次都是黑洞質量超出科學家們原先預計的。項目組科學家表示：「看起來這樣的合併情況相當普遍，我想不久之後我們便能開始估算這種事件發生概率的大小。」

　　此次觀測的特別之處就在於有三台觀測設施觀測到了信號，這樣對於信號來源的判定精度相比僅僅兩台LIGO設備要高出20倍。並且，不僅僅是定位的精度提升了，藉助三台設備的觀測，科學家們還能更加精確地判斷引力波傳播的角度方位。這些數據將幫助科學家們大大加深我們對於產生這一引力波信號的天體的認識，比如它們在相互繞轉的時候，其轉動平面與地球觀測視線之間的角度關係是怎樣的。

　　現在，人類已經第四次檢測到黑洞合併所產生的引力波事件，天文學界目前渴望了解LIGO設施能否檢測到中子星合併，或者中子星與黑洞合併過程中產生的引力波信號。但直到目前為止，LIGO的科學家們仍然保持了沉默。項目組表示他們仍然忙於對收集到的數據進行分析研判：「我們會在適當的時候發表聲明。」

　　與此同時，目前全球的這三座引力波天文台都已經暫時停止運作。在這一空窗期，LIGO和Virgo的團隊科學家們都將持續加緊工作，從而進一步提升設施的觀測精度。這三台設備預計將在2018年秋季重新開機，科學家們希望到時候能夠獲得更好更精確的觀測結果，或許每年可以檢測到十幾個這樣的事件也並非不可想像。（晨風）

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