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第三次引力波事件确认!爱因斯坦广义相对论再获重大验证

2017-06-02  AS400r

第三次引力波事件确认!爱因斯坦广义相对论再获重大验证

原创 DeepTech深科技 2017-06-02 10:10

今年 1 月 4 日,激光干涉引力波天文台(Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory, LIGO)收到了一个难以察觉的信号,科学家们在经过分析后,迅速将其确定为引力波——一种跨越时空曲率的能量波动。

今天在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表的这一事件则标志着人类第三次直接探测到引力波!

第三次引力波事件确认!爱因斯坦广义相对论再获重大验证

图丨LOGO最新探测到的双黑洞合并假想图。两个黑洞以非对称方式旋转,这意味着每个黑洞都有各自与整体轨道动态不同的旋转方向。LIGO发现编号为GW170104的黑洞系统中,至少有一个黑洞在融合前呈非对称旋转。

编号为 GW170104 的信号,当被转换成音频频带后,呈现出一种类似向上扫描的啁啾声,这是典型的“双黑洞合并”时的特征,或者说是在遥远的宇宙中,两个大质量天体合并时产生的能量信号。研究团队随即得出结论:这次的引力波事件是由两个恒星质量级黑洞碰撞所产生的,其中一个的质量约为太阳的31倍,另一个则是太阳质量的19倍。

这次由 LIGO 捕获的信号持续时间不到十分之二秒,科学家计算出这两个黑洞在最终融合成一个约为太阳质量 49 倍的黑洞之前,彼此围绕对方相互旋转了约 6 次。这种宇宙级大碰撞产生的能量本身就能达到太阳质量的两倍,并以引力波的形式将能量扩散出去。

第三次引力波事件确认!爱因斯坦广义相对论再获重大验证

图丨LIGO所发现的黑洞质量远远比以前仅凭X射线(图中紫色)所探测到的黑洞质量大得多。LIGO已确认的三次引力波事件(GW150914, GW151226, GW170104),以及一次疑似引力波事件(LVT151012)表明,恒星质量级双黑洞系统一旦合并,其质量将至少是太阳的20倍。

这次黑洞合并发生在距离地球约 30 亿光年之外,是人类历史上首次探测到的编号为GW150914的引力波产生距离的两倍。

麻省理工学院Kavli天体物理与太空研究所(Kavli Institute for Astrophysics and Space Research)资深研究科学家、LIGO团队成员Erik Katsavounidis表示:“这确实是人类已知的的最远距离的恒星质量级黑洞。“

反向对称

新的引力波信号与LIGO的前两次检测类似,不仅在于它们的来源——双黑洞系统——还在于来源的整体质量上。

然而,科学家在最新的信号中发现了一个有趣的特征:至少有一个黑洞的旋转可能与轨道角动量(黑洞相互绕轨的方向)“反向对称”。这种现象类似于一只在顺时针旋转的桌台上逆时针旋转的茶杯。

第三次引力波事件确认!爱因斯坦广义相对论再获重大验证

图丨根据LIGO探测到的编号为GW170104的引力波事件,使用数学方法模拟两个正在融合的黑洞附近所产生的时空弯曲。蓝色部分代表了引力波的波峰与波谷。随着波幅的增强,颜色逐渐变白。

Katsavounidis强调,虽然潜力十分惊人,但可以探测到的反向对称迹象并不大。如果科学家能够检测到更多的反向对称系统,那么这样的证据就可以支持被称为动态捕获的形成场景——在充满恒星的宇宙环境中,黑洞在这样的场景中各自演化。在这样的环境中,只需通过引力的“动态”吸引,黑洞与各种自旋最终可以在双星系统中配对。

实际上,动态捕获与称为“共包层演化”(common envelope evolution)的模型正好相反。对后者而言,双黑洞系统演化进程是一致的,其旋转方向与轨道角动量形成对齐。事实上,LIGO团队推测,2015 年 12 月的检测具有很大的对齐自旋概率,与最新的信号恰恰相反。

“这是第一次我们看到反向对称的证据,”Katsavounidis说。“如果我们能够检测到更多的系统,我们就可以确定黑洞是在什么样的情况下形成和发展,并最终形成合并的双黑洞系统。”

偶然性发现

在此次观测中,升级后灵敏度更高、探测范围更远的advanced LIGO(简称:aLIGO)起到了关键作用,它于 2016 年 11 月 30 日开启了它的第二次运行,预计今年 8 月结束。针对于这第三次观测“GW170104”的执行,Katsavounidis认为,这还是有一定偶然因素在其中的。

在 2017 年 1 月 4 日,世界标准时间10:11:58.6,在华盛顿州的汉福德,LIGO探测器记录到了一次引力波。三毫秒后,远在 3000 多公里外的路易斯安那州利文斯顿市的检测器也探测到了该引力波。在观测过程中,因为引力波的关系,两个探测器探测结果显示出交替性的膨胀和缩小,这也造成了两个探测器所搜集的数据产生了不小的波动。

在几十秒内,LIGO的搜索算法开始自动分析引力波信号,并将其与之前所发现的引力波特征进行比较。

Katsavounidis说:“德国一位非常认真的研究人员在研究收集来的数据的时候,注意到其中一个检测器似乎采集到了十分重要的信号,事实证明他的判断是正确的。”

第三次引力波事件确认!爱因斯坦广义相对论再获重大验证

图丨麻省理工学院教授、LIGO科学家Katsavounidis

研究人员当即通知LIGO的探测器操作和数据分析工作组开始进一步的信号分析工作。科学家们使用计算工具来尽可能地缩小现有的参数集合,这包括系统的质量、旋转和方向等数据。工作的结果就是新探测到的重力信号与已知的数据高度匹配。

而对于这一现象最好的解释就是:和前两次观测一样,这次引力波信号也来自于两大黑洞的合并。合并后的黑洞质量相当于太阳质量的49倍,但仍要低于LIGO的首次引力波检测“GW150914”中所发现的高达62倍太阳质量的黑洞。

对抗引力波探测器的模糊性

通过这次新的检测发现,该团队再次证实了爱因斯坦的广义相对论,观察到合并黑洞的行为符合爱因斯坦对引力效应的预测。

“这太神奇了,”Katsavounidis说。“无论你谈论地球上的重力,还是引力达到地球十亿倍以上的地方,广义相对论仍然能够描述这些引力波是如何产生的,以及物体如何在重力下发挥作用。”

作为信号初步分析的一部分,LIGO的研究人员制作出了“天空图”——标明了双黑洞系统可能位于区域。作为标准程序的一部分,LIGO团队将这些天空地图发送给大约80个天文学小组,每个小组都可以访问跨越整个电磁频谱以及中微子频谱的成像工具。值得关注的是,虽然LIGO一直在继续寻找宇宙中其他极端事件的迹象,但天文学家一直将望远镜指向GW170104的来源,希望观察到黑洞碰撞所产生的闪烁。

第三次引力波事件确认!爱因斯坦广义相对论再获重大验证

图丨三次LIGO观测到的黑洞合并事件,LVT151012为尚不确定的可能存在的第四次探测结果

“实际上,LIGO充当了我们的耳朵——也可以说,我们想听到一些东西,然后我们的眼睛会迅速地跟随信号而去,”Katsavounidis说。“我们的使命是在全球范围内设置新的引力波探测器,从而能够对抗引力波探测器的模糊性,并尽快将检测与光源进行配对。”

很幸运的是,搜索引力波的行动很快将获得一组新的耳朵——“处女座”(Virgo)探测器位于意大利比萨附近,预计今年夏天将上线,并与LIGO进行配对。

加州理工学院教授、LIGO实验室执行主任David Reitze表示:“随着第三次双黑洞合并引力波事件的确认,LIGO已经成为观测宇宙暗面的强大工具。在未来,我们希望LIGO除了用于引力波观测,还能用于观测更多的天体物理学现象,比如两颗中子星的剧烈碰撞等。”

Katsavounidis表示:“从寻找罕见事物领域的角度来看,我一直在犹豫,只有一次检测成功是否能够被宣布为胜利。但我现在可以说的是,在第二次检测后,我已经可以睡个安稳觉了,而如今的第三次检测则成功奠定了LIGO以及LIGO的观察结果作为观察宇宙中黑洞质谱终极工具的基石。”

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