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引力波再次来袭,它到底来自于哪里?

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这张示意图展示的是黑洞合并过程产生的时空涟漪——引力波,其正从合并发生区域向周围空间传播。此次LIGO探测到的黑洞合并事件牵涉到两个质量分别为14倍和8倍太阳质量的黑洞,它们合并之后形成了一个质量为21倍太阳质量的新黑洞

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艺术示意图:LIGO探测到两个正在合并过程中的黑洞

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LIGO已经大大增加了已知质量的黑洞数量。这一探测器已经确凿无疑地探测到了两次引力波事件,对应两次独立的黑洞合并事件(如图所示,两个较小质量的黑洞合并成为较大质量的黑洞)。在每一次事件中,LIGO都精确测定了参与事件黑洞各自的质量以及合并后黑洞的质量。图中虚线标出的是LIGO探测到的一次疑似事件,其由于信号太过微弱而未能得到确认


北京时间6月16日凌晨消息,6月16日凌晨1:15,正在美国圣迭戈参加再次召开的第228届美国天文学会的LIGO科学合作组(LSC)和Virgo合作组的科学家举行新闻发布会,报告他们再次探测到引力波信号的消息。这是14亿年前两个遥远的黑洞相互合并过程所产生的时空扰动,该事件的涟漪穿越宇宙,被地球上的人们探测到。此番再次探测到引力波信号证明引力波信号的探测并非罕见事件,有理由预期未来还将有更多探测案例的出现,从而真正开启一个崭新的引力波天文学时代。

来自爱因斯坦的圣诞礼物

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今日凌晨发布会现场发布的此次引力波事件的信号图

再次探测到的引力波信号编号为GW151226,它是在2015年12月26日国际标准时03:38:53探测到的,信号显示,两个质量分别为大约14倍和8倍太阳质量的黑洞在合并之后形成了一个质量约为21倍太阳质量的黑洞,显示有大约1倍太阳质量的物质被以引力波的形式释放出去,项目研究人员称这次的信号是“来自爱因斯坦的圣诞礼物”。

在发布会一开始就由美国路易斯安那州立大学的LIGO科学合作组发言人加布艾拉·冈萨雷斯女士女士(Gabriela González)开门见山地宣布了再次探测到引力波的消息。 这是他们自从今年2月份宣布首次探测到引力波信号以来再次宣布探测到引力波信号。

什么是引力波

引力波是时空的涟漪,它是由宇宙中的一些最为剧烈的事件产生的,如大质量致密天体的碰撞或合并事件。引力波的存在早在1916年便已经由爱因斯坦预言,当时爱因斯坦证明了加速下的大质量物体将会扭曲时空,并产生从该源头发出的时空涟漪。这种“涟漪”将以光速穿过宇宙,携带着关于产生它们的那次灾难性事件和引力本质的珍贵信息。

在过去的数十年间,天文学家们已经找到大量证据证明引力波的存在,主要手段是通过引力波对银河系中近距离绕转天体运动产生的影响所开展的相关研究。这些间接研究的结果与爱因斯坦在100年前的预言吻合度相当好,如在考虑引力波带走能量的情况之后,这类天体轨道的衰减过程完全符合爱因斯坦理论的计算结果。然而,从地球上直接探测引力波的信号尽管长期以来广受科学界期待,但却一直未能实现突破。之所以科学家们如此期待这项突破,是因为这将提供对于爱因斯坦广义相对论新的,且更为直接的检验,并开启人类研究宇宙的全新大门。科学家们希望他们能够获得更多的案例,从而能够开展对黑洞合并频率的研究,并帮助他们检验一些极端环境下物理理论的正确性,甚至可能引出更加深层的自然本质理论。

LIGO科学合作组发言人加布艾拉·冈萨雷斯女士表示:“我们的计划并非仅仅是探测到首次引力波信号,也并非想要去证明爱因斯坦是正确的或是错误的,我们想要做的是创建一个天文台。”她说:“此时此刻,我们才可以说,LIGO的目标已经真正达成了。”

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这张图展示的是LIGO两次确认探测结果以及一次疑似结果的日期,后者由于信号太过微弱而未能得到确认。这三次事件编号和具体日期为:GW150914 (Sept.14, 2015), LVT151012 (Oct.12,2015)以及GW151226 (Dec.26,2015)。所有三次事件都是在为期4个月的“先进LIGO”设施首次试运行阶段探测到的

有关这项发现的论文已经在《物理评论快报》上发表,这是LIGO的第二次引力波探测事件。与此同时项目组此前还曾经遭遇到另外一次“疑似信号”,由于该信号太过微弱而无法确认。研究组已经在今年2月份的那次发布会中介绍了有关情况。亚利桑那州立大学理论物理学家劳伦斯·克劳斯表示:“引力波探测将让我们得以窥探宇宙的黑暗一面。引力波天文学将成为21世纪的天文学。”

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此次LIGO探测到的引力波信号来自两个互相绕转并最终合并的黑洞。最上方演示的是这两个黑洞的实际运行情况,下面分别展示LIGO探测器采集的到的引力波信号和频率变化,可以看到频率从最初的35Hz一路飙升到大约700Hz

两次探测到的引力波信号有啥不一样?质量更小的黑洞

此次新发现的引力波信号源自大约14亿年前的一次黑洞合并事件,两个参与合并事件的黑洞质量大约分别为14倍和8倍太阳质量,它们不断相互绕转并最终合并。信号显示这两个黑洞合并之后形成了一个质量约为21倍太阳质量的新黑洞,这就意味着在一瞬间有大约和一个太阳质量相当的能量被转化为引力波的形式释放了出去。

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这是南半球天空示意图,标出的位置是LIGO探测器在2015年12月26日探测到的引力波信号在天空中的大致来源方位。不同的颜色线条范围代表可能性的高低:最外侧紫色线条圈定的范围代表大约90%置信度,内部黄色线圈定的范围代表的则是10%置信度水平,可见误差率还是相当大的

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截止目前,LIGO探测器探测到的两次引力波信号大致来源方位示意图。同样的,不同的颜色线条代表不同的置信度水平:最外侧紫色线条圈定的范围代表大约90%置信度,内部黄色线圈定的范围代表的则是10%置信度水平

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这一三维投影地图展示的是LIGO全部三次引力波探测信号(包括两次确凿的引力波信号探测和一次疑似信号探测结果)的可能信号源位置。两次确认的引力波信号分别是GW150914(绿色)和GW151226(蓝色),图中第三个区域代表的则是一个疑似信号(LVT151012,红色)。图中不同颜色线条区域代表不同的置信度水平:最外侧线条代表大约90%置信度,最内侧则代表大约10%置信水平

和LIGO的第一次探测相比(当时探测到的信号来自两个大约30倍太阳质量的黑洞),此次探测到的信号频率更高并且持续的时间也更长。在首次引力波探测信号中,科学家们只观测到两个黑洞碰撞合并之前的最后一圈或是两圈绕转过程,而此次科学家们一共追踪到两个黑洞合并之前的最后27圈相互绕转。冈萨雷斯表示:“这将让我们能够更为精确地检验爱因斯坦的广义相对论并对黑洞的各项参数做更加精确的估算。”

此次,研究组同样有机会对参与合并黑洞的自旋情况进行观测,结果显示至少那个质量较大的成员黑洞存在自旋,速率约为黑洞自旋理论最大速率的20%左右。LIGO项目组成员,美国西北大学的维基·卡罗基拉表示:“如果光从首次引力波探测信号来看,参与合并的两个黑洞似乎是不存在自旋的,那么从这个角度来说,此次属于新发现。”

文  新浪科技

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