LIGO参与者讲述:一波未平,一波又起!

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所属分类:谣言

本文作者是LIGO科学合作组织成员。

难得的假期中,辛劳一整年的科学家们终于可以松一口气,将科学暂时抛开脑后,和家人一起欢度佳节,共享天伦之乐。前一天的守夜让他们哈欠连连,他们想要早些休息,有些人更是已经早早入睡。这时,他们的手机不约而同地响起,研究所的探测器那里传来一阵不寻常的警报。他们看着不解的爱人,不舍的孩子,权衡再三,还是毅然决然地顶风冒雪,启程前往研究所……

虽然剧情很狗血,但这不是来自科幻小说,也不是来自电影的情节,更不是来自央视对劳模的报道,而是2015年当地时间圣诞节晚上,在LIGO台址工作的部分科学家们真切经历的故事。

节礼日的一份大礼

北京时间2015年12月26日上午11点38分53秒,也就是美国东部时间12月25日晚上10点38分53秒,路易斯安那州列文斯顿(Livingston, Louisiana)和华盛顿州汉福德(Hanford, Washington)的激光干涉引力波观测台(LIGO)先后相隔1.1毫秒探测到了由两个黑洞并合产生的引力波信号——GW151226

圣诞节在西方大众,有着相当于春节对于咱们的重要意义;而圣诞节之后的第二天相当于年初二,在西方又叫做节礼日。许多负责台站运行的科学家们在节礼日的凌晨从睡梦中睁开惺忪的双眼,前往台站投入紧张的工作。

天下武功,唯快不破,一切的关键,在时间。引力波信号初步探测到之后,需要尽快检查其是否为仪器噪声或工作异常,并在尽可能短的时间内向同LIGO签署过君子协议的天文学家们分享这一信息,以便他们使用手中的电磁波望远镜进行后续的搜寻和观测。如果说传统电磁波的望远镜给了天文学家以视力,引力波探测器给天文学家以听力,仅仅探测引力波信号不过还是盲人摸象;仅仅观测电磁波现象也只是观看无声电影;只有同时、同地发现引力波信号和电磁波段信号,才是一部天文学家期待已久的视听大片。Fermi卫星的伽马暴监视器曾经报告过一次可能与GW150914成协的伽马射线光子信号,然而别的探测器都不能验证这一探测结果。天文学家热切期待着能探测到与引力波事件成协的电磁信号,以便更细致地研究产生引力波的致密双星系统。怀着这种热情,研究、分析GW151226这一事件的工作有条不紊地开始了。

在圣诞节前后到达地球的这个事件到底有何新奇之处呢?相较今年2月11日宣布探测的GW150914而言,GW151226的质量更小,从这个意义上讲,这一次的信号更加符合之前人们的预期。并合的两个黑洞分别为14.2和7.5倍太阳质量,而最后并合生成的黑洞有20.8倍太阳质量,在短短一秒钟的时间里,相当于一个太阳的质量转化为了能量,以引力波的形式释放出去。而当从14亿光年外传来的引力波 到达探测器时,它的幅度已经减弱许多。

不同于GW150914,内部代号为“节礼日事件”的GW151226引起的时空扰动远远小于噪声的尺度,用耳朵听原始数据根本听不出引力波的存在。事实上,这才是我们预期的常态,反倒是可以听出清晰啁啾信号的GW150914算是出人意料的异类了。反过来想,如果每个信号用耳朵听就能听到,用眼睛看就能看出来,那还有什么必要花费大量的经费开发专门的算法呢?正是因为我们相信大部分信号都会像GW151226一般,隐藏在噪声之中,我们才需要高效而灵敏的程序来搜寻那微乎其微的时空畸变。

LIGO开发了用于搜寻致密双星并合信号的软件,实时分析来自两个探测器的数据,试图搜索来自这类源的信号。虽然GW151226的强度远远弱于GW150914,但是相对于背景噪声,它依然鹤立鸡群,并且通过了物理领域的黄金标准——五倍标准差——的检验。

由于产生GW151226的两个黑洞质量相对较低,因此在相同的频率上,它们演化地更慢。从35赫兹开始,在大约1s的时间内,这两个黑洞相互绕转了55圈,达到了450赫兹。在其峰值时,其辐射的功率超过了可观测宇宙中所有恒星和星系辐射能量的总和。

GW150914的信噪比绝大部分来自于并合前的最后数圈,而在铃宕(ringdown)阶段,也积累了一定的能量,可以独立进行分析,并和旋近阶段的分析结果进行比较,以校验其一致性;而GW151226的信号则分散在较长的数据中,并且集中于旋近阶段,其铃宕部分的持续时间则短得多,信号也弱得多,因此无法再进行有效的比较。

从“第一个”到“下一个”

在高新LIGO运行的第一次观测运行期间,我们发现了两起确定的引力波事件(GW150914和GW151226)和一次疑似事件(LVT151012),通过两个LIGO探测器的同时探测,我们可以大概确定它们的空间方向。然而,这种估计是非常粗糙的。因为这种定位能力取决于两个台址之间的距离,也同时取决于对于黑洞双星并合具体时刻的估计误差。LIGO的两个台址相距较近,特别在信号较弱的情况下,很难精确地确定引力波源的位置。

预计今年年底上线的高新Virgo探测器虽然比不上高新LIGO那么灵敏,但是第三个探测器的加入会大大提高引力波探测器的空间定位能力。事实上,如果这三个事件发生时高新Virgo也在运行状态, 引力波源空间方向的不确定性将显著缩小。

在天文学里面,一次探测是发现,两次探测可以谈统计,三次探测就可以谈分布了。虽然略微夸张,但是通过GW151226的发现,标志着LIGO从探测器真正向着天文台的蜕变。我们的关注重点不再是“第一个”,而是“下一个”。

我们目前发现的恒星级别黑洞,可以看到GW151226和以前所知道的黑洞更一致,而GW150914则重得多。图片来源:gravity.astro.cf.ac.uk

天道酬勤,LIGO和Virgo一千个科学家的努力又换来回报。虽然这个礼物让一些LIGO台址的科学家措手不及,但发生在圣诞节前后的引力波事件,也许是圣诞老人给引力波科学家们最好的圣诞礼物。新的引力波信号的发现,让我们可以更精确地讨论宇宙中的双黑洞并合事件的发生率;也告诉了我们初始黑洞可以拥有不小的自旋。新的信号的探测,让我们相信,第一次探测不是偶然,人类探测到GW150914,并不是运气好,而是仪器升级后功力大增的结果。当今年的LIGO第二次观测运行开始时,当年底Virgo加入联合观测时,当明年高新LIGO完成全面升级大大提高时,人们还会有怎样的新观测,又会解释怎样的新物理,都是未知。而未知,往往蕴含着惊喜。

(编辑:Calo)

文章题图:LIGO

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