兩次確鑿、一次疑似引力波事件！ | 明鏡、張雙南解讀

07-12

LSC發言人，路易斯安那州立大學物理與天文學教授Gabriela González宣布，LIGO再次發現黑洞併合產生的引力波！

編者按：

LIGO科學合作組織6月16日凌晨1時15分宣布再次直接探測到引力波，同時透露了一次疑似引力波事件。短短4個月時間裡，「引力波事例噼里啪啦會來一批」（中國南極天文中心教授王力帆今年2月預測），打消了「孤證不立」的質疑，顯示了這一世紀發現無可質疑的科學成色。

《知識分子》特邀LIGO科學合作組織的中國研究人員明鏡撰文解讀此次發現，並邀請中科院高能物理研究所研究員張雙南就此發表評論。

當LIGO在今年2月宣布人類首次直接觀測到引力波消息時，張雙南曾與王力帆以一瓶茅台為注打賭說，下次觀測到引力波事件要到」猴年馬月」。未曾想，猴年馬月真的來了（今年農曆五月，即6月5日至7月3日，為馬月），LIGO再次探測到引力波事件。「LIGO在短短的4個月之內發現了兩個確鑿、一個疑似引力波事件，說明今後引力波事件的探測概率比我們以前預計的要高不少，這非常激動人心。」張雙南說。

「不僅如此，這個引力波事件GW151226還給我們帶來了其它驚喜。因為第一個引力波事件來自於兩個30倍左右太陽質量的黑洞，而那種黑洞以前我們所知甚少。但是10倍左右太陽質量的黑洞在銀河系和附近的星系內很常見，這就讓以前有人對第一個引力波探測事件的可信性的少許懷疑徹底消失了。」

「除了利用引力波對恆星演化、黑洞和廣義相對論進行以前不可能做的研究之外，一旦探測到了引力波事件的電磁波對應體，就能夠確定該事件發生的星系。即使不能探測到引力波事件的電磁波對應體，如果將來引力波測量的精度提高或者觀測到距離更近的引力波事件，就可以對引力波源的方向測量達到較高的精度，加上引力波測量本身可以確定引力波源的距離，就很可能證認出該事件發生的星系。星系的紅移是比較容易測量的，所以就可以把引力波作為新的『標準燭光』研究宇宙的膨脹。相比超新星等其它標準燭光，引力波標準燭光更加乾淨和準確，而且不依賴於宇宙距離『梯子』。」

撰文 | 明鏡（馬克斯·普朗克引力物理研究所博士研究生、LIGO科學合作組織成員）

責編|陳曉雪

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「來自愛因斯坦的聖誕節禮物」

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。

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）

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？

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（就是角度的平方，類似以於平方米和米的區別）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。

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4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！

引力波天文學，已經邁向黃金時代！

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。

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！