歐美三天文台聯手探測到第四次引力波事件,定位雙黑洞合併

當地時間9月27日,美國加州理工學院主導的LIGO團隊宣佈與意大利的Virgo引力波觀測台聯手探測到第四次引力波事件——兩個黑洞發生合併。通過三方定位,科學家們更精確地鎖定了引力波產生的方位。

「這只是LIGO和Virgo合作的開始」,LIGO科學聯盟發言人大衛‧舒梅克(David Shoemaker)說道,「在下一輪2018年秋季的探測中,我們預期這種結果每週都有,甚至更頻繁。」

值得一提的是,現在距離諾貝爾物理學獎揭曉已不足一週,LIGO兩位健在的創始人雷納‧韋斯(Rainer Weiss)和吉普‧索恩(Kip Thorne)仍是最大熱門。2016年2月11日,LIGO宣佈成功探測到由兩個黑洞碰撞產生的引力波,驗證愛因斯坦百年前提出的廣義相對論,震驚全球物理學界。然而,2016年諾貝爾獎提名的截止時間是1月31日。外界猜測,諾獎可能推遲到今年才會花落LIGO。

今年3月9日,LIGO另一位創始人、蘇格蘭實驗物理學家羅納德‧德雷弗(Ronald Drever)因痴呆症惡化逝世。

遠在銀河系18億光年之外,質量分別為太陽的31倍和25倍的兩個黑洞,合併後形成了一個質量約為太陽53倍的黑洞。相差的3倍太陽能量以引力波的形式傳遞出去。

8月14日,這個編號為GW170814的引力波先後到達LIGO位於華盛頓州和路易斯安那州的兩個觀測台,以及意大利的Virgo觀測台。

歐美三天文台聯手探測到第四次引力波事件,定位雙黑洞合併

LIGO位於華盛頓州的引力波觀測台

引力波是愛因斯坦廣義相對論中的重要推論。時間和空間會在質量面前彎曲,時空在伸展和壓縮的過程中,會產生振動傳播開來,這些振動就是引力波。我們在地球上隨時隨地都可能遭遇來自宇宙中各種源頭的引力波:兩個黑洞合併、中子星自轉、超新星核塌縮等。然而,即使是像黑洞這樣巨大質量的系統相互碰撞、合併,產生的引力波信號傳遞到地球上也是很微弱的。就連愛因斯坦本人也想像不到,能通過怎樣的方法探測到引力波。

LIGO激光干涉引力波探測儀的基本思路是這樣的:兩條長度相同的探測臂呈L型放置,在L中間的拐點處放置激光源,沿兩條管子各發射一束激光,而在兩臂的末端放置一面鏡子來反射激光。在真空中,兩條同時發射的光束應該同時返回中間拐點相逢,在干涉作用下,光束不會抵達光電探測器。但如果有引力波穿過探測儀,兩條真空管中的空間會出現微小的拉伸與壓縮,兩條光束就會出現光程差,從而外洩到光電探測器上。

在那之後,LIGO又成功探測到了兩次由黑洞碰撞引發的引力波。

這次雙黑洞合併是LIGO探測到的第四個引力波事件,也是Virgo觀測台探測到的第一個引力波事件,距離8月1日,經歷6年升級改造的全新Virgo觀測台投入使用恰好兩星期。Virgo觀測台位於意大利比薩附近的小鎮卡希納,由法國、意大利、荷蘭、波蘭和匈牙利的科學家共同參與。

第三個觀測台的加入使探測精度大大提高,鎖定的事件發生區域只有60平方度,比只有LIGO的兩個觀測台時縮小了10倍。

歐美三天文台聯手探測到第四次引力波事件,定位雙黑洞合併

位於意大利的Virgo引力波觀測台

科學家們也首次得以測量引力波的偏振模式。愛因斯坦廣義相對論中預測的引力波偏振種類與現有理論並不相同。以後,探測結果可以證明愛因斯坦是對是錯。

LIGO科學聯盟創始人巴裡‧巴裡希(Barry Barish)曾告訴澎湃新聞(www.thepaper.cn),LIGO的後續工作就是探測由不同事件產生的不同類型的引力波信號:由雙系統(中子星、低質量黑洞)合併產生的信號;由中子星自轉、地殼形變產生的持續信號;由超新星核塌縮、宇宙弦產生的爆發性信號;甚至是原初引力波信號。

這次探測到雙黑洞合併後,外界期待下一個引力波信號會來自中子星。黑洞吸收光,無法直接被探測到,科學家們只能通過周圍時空的表現推測黑洞的存在。中子星則不然,它們會散發大量光線。也就是說,科學家們在地面觀測台探測並定位到中子星引發的引力波,就能用光學設備進行觀測了。

不過,中子星引發的引力波強度要比黑洞碰撞小得多,探測起來更有難度。中子星是恆星演化到末期,經由引力坍縮發生超新星爆炸之後的結果。根據質量的不同,恆星的核心區域可能被壓縮成白矮星、中子星或黑洞。

也許,我們需要等待精度更高的空間引力波探測器。在2030年後,中國的「天琴計畫」和歐洲的LISA項目將先後升空。

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