@ 2017.06.04 , 12:30

LIGO第三次检测到引力波

激光干涉引力波天文台(LIGO)第三次检测到了引力波,时空上的涟漪,证实天文学上的新窗户已经被牢牢打开了。正如前两次的检测,这次检测到的引力波也是由两个黑洞碰撞形成一个更大黑洞引起的。

新发现的黑洞是通过融合形成的,质量约为太阳的49倍,填补了LIGO前面检测的两个融合黑洞之间的空白。先前检测的两个分别为62倍太阳质量(第一次)和21倍太阳质量(第二次)。

新当选的LIGO科学合作发言人、麻省理工学院的David Shoemaker说道:“我们进一步确认了超过20太阳质量的黑洞的存在,在LIGO检测到之前我们并不知道这一点。这是一项非凡的成果,人类终于能书写发生在数十亿年前和数十亿光年远的奇异极端事件历史,并进行测试。整个LIGO和Virgo科学合作团队一起努力,终于实现了。”

LIGO第三次检测到引力波
老图再利用。credit: 煎蛋画师ZZCW

这一新检测发生于LIGO始于去年11月30日的正在进行的观测活动期间,该观测还将持续整个夏天。LIGO是一个成员来自全球各地的国际合作组织。其观测是由双子检测器执行的,一个在华盛顿汉福德,另一个在路易斯安那州利文斯顿,由加州理工学院和麻省理工学院运作,受到国家自然基金赞助。

2015年,自从经历了名为先进LIGO的重大升级项目后,在第一次观测运营期间就在9月首次直接观测到了引力波,同年12月又第二次观测到了。第三次检测,被称为GW170104,是在今年1月4日实现的,已发表在近期的物理评论快报上。

在所有三次检测中,LIGO的两个检测器都检测到了黑洞对融合产生的引力波。这种碰撞产生的能量比宇宙中任何恒星和星系在任何时刻以光形式放射的都要多。最近的这次检测似乎是至今为止最远的,有30亿光年远(第一次和第二次的分别是13亿和14亿光年远)。

最近的这次观测还为黑洞自转方向提供了线索。一对黑洞在相互环绕运行的同时,还会绕自己的轴线自转。有时候黑洞自转的方向与该系统整体运转轨道方向一致,天文学家将其称为对齐旋转,而有时候则会按照相反的方向自转。此外,黑洞也可能倾斜于轨道平面。本质上,黑洞可能以任意方向自转。

新的LIGO数据无法确定观察到的黑洞是否倾斜,但暗示着至少一个黑洞可能并未对齐整体轨道运动。要对双黑洞系统自转方向做出确定性结论还需要更多的观测,但目前的数据也能提供这一对黑洞如何形成的线索。

宾夕法尼亚州立大学和卡迪夫大学的Bangalore Sathyaprakash 说道:“这是我们首次有黑洞可能没有对齐的证据,暗示了双黑洞可能是在稠密星团中形成的。”

关于双黑洞系统的形成,主要有两种解释模型。第一种模型提出两个黑洞是一起诞生的:双星系统中两个恒星均爆发,由于原来两个恒星一起运转,因此形成的黑洞也会保持这种状态。

LIGO第三次检测到引力波
两种解释模型中,第一种是两个黑洞是青梅竹马。credit: 123RF

在另一种模型中,黑洞是后来才走到一起的。当黑洞沉入星团中心后,两个黑洞才配对的。在此情形下,黑洞可能以相对于它们的轨道运动的任意方向自转。由于LIGO发现的某些证据表明GW170104黑洞是未对齐的,因此稍微支持这种稠密星团理论。

LIGO第三次检测到引力波
两种解释模型中,另一种是两个黑洞是后天撮合到一起的。credit: 123RF, 图库两个相片合成而来

加州理工学院的Keita Kawabe说道:“我们开始收集双黑洞系统的统计数据。这很有意思,因为某些关于双黑洞形成的模型相比其余受到的支持更多,未来我们可以缩小范围。”

该研究还再次测试了爱因斯坦的理论。例如,研究者寻找一种名为色散的效应,当物理介质中的光波由于波长不同而传播速度不同时就会产生。爱因斯坦的广义相对论禁止了引力波从源头传播到地球过程中的色散。LIGO也没有发现任何这种效应的证据。

佐治亚理工学院的Laura Cadonati说道:“看起来即使是在这一两倍于第一次检测距离的新事件中爱因斯坦也是正确的。我们没有发现任何偏离广义相对论之处,这一远距离使得我们对此表述也更有信心了。”

Virgo发言人、荷兰国家亚原子物理研究所物理学家、阿姆斯特丹自由大学教授Jo van den Brand说明:“LIGO仪器已经达到了惊人的灵敏度。我们期望今天夏天能扩张检测器网络,帮助我们更好地定位信号。”

LIGO-Virgo团队仍在继续搜寻最近来自宇宙深处的时空涟漪信号的LIGO数据。他们还在为LIGO的下次运行进行技术升级。下次计划运行将始于2018年末,在此之前检测器的灵敏度将再次提升。

LIGO实验室执行主任、加州理工学院的David Reitze说道:“随着第三次确实检测到两个碰撞黑洞产生的引力波,LIGO确定了自身作为揭露宇宙黑暗面的强力天文台的地位。尽管LIGO是专门适用于观测这种类型事件的,我们希望不久之后也能观测其他类型的天体物理事件,比如两颗中子星的激烈碰撞。”

论文原文:DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.221101

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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