今年 1 月 4 日，激光干涉引力波天文臺（Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory, LIGO）收到了一個難以察覺的信號，科學(xué)家們在經(jīng)過分析后，迅速將其確定為引力波——一種跨越時(shí)空曲率的能量波動。

今天在《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）上發(fā)表的這一事件則標(biāo)志著人類第三次直接探測到引力波！

圖丨LOGO最新探測到的雙黑洞合并假想圖。兩個黑洞以非對稱方式旋轉(zhuǎn)，這意味著每個黑洞都有各自與整體軌道動態(tài)不同的旋轉(zhuǎn)方向。LIGO發(fā)現(xiàn)編號為GW170104的黑洞系統(tǒng)中，至少有一個黑洞在融合前呈非對稱旋轉(zhuǎn)。

編號為 GW170104 的信號，當(dāng)被轉(zhuǎn)換成音頻頻帶后，呈現(xiàn)出一種類似向上掃描的啁啾聲，這是典型的“雙黑洞合并”時(shí)的特征，或者說是在遙遠(yuǎn)的宇宙中，兩個大質(zhì)量天體合并時(shí)產(chǎn)生的能量信號。研究團(tuán)隊(duì)隨即得出結(jié)論：這次的引力波事件是由兩個恒星質(zhì)量級黑洞碰撞所產(chǎn)生的，其中一個的質(zhì)量約為太陽的31倍，另一個則是太陽質(zhì)量的19倍。

這次由 LIGO 捕獲的信號持續(xù)時(shí)間不到十分之二秒，科學(xué)家計(jì)算出這兩個黑洞在最終融合成一個約為太陽質(zhì)量 49 倍的黑洞之前，彼此圍繞對方相互旋轉(zhuǎn)了約 6 次。這種宇宙級大碰撞產(chǎn)生的能量本身就能達(dá)到太陽質(zhì)量的兩倍，并以引力波的形式將能量擴(kuò)散出去。

圖丨LIGO所發(fā)現(xiàn)的黑洞質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)比以前僅憑X射線（圖中紫色）所探測到的黑洞質(zhì)量大得多。LIGO已確認(rèn)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，恒星質(zhì)量級雙黑洞系統(tǒng)一旦合并，其質(zhì)量將至少是太陽的20倍。

這次黑洞合并發(fā)生在距離地球約 30 億光年之外，是人類歷史上首次探測到的編號為GW150914的引力波產(chǎn)生距離的兩倍。

麻省理工學(xué)院Kavli天體物理與太空研究所（Kavli Institute for Astrophysics and Space Research）資深研究科學(xué)家、LIGO團(tuán)隊(duì)成員Erik Katsavounidis表示：“這確實(shí)是人類已知的的最遠(yuǎn)距離的恒星質(zhì)量級黑洞。“

反向?qū)ΨQ

新的引力波信號與LIGO的前兩次檢測類似，不僅在于它們的來源——雙黑洞系統(tǒng)——還在于來源的整體質(zhì)量上。

然而，科學(xué)家在最新的信號中發(fā)現(xiàn)了一個有趣的特征：至少有一個黑洞的旋轉(zhuǎn)可能與軌道角動量（黑洞相互繞軌的方向）“反向?qū)ΨQ”。這種現(xiàn)象類似于一只在順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的桌臺上逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的茶杯。

圖丨根據(jù)LIGO探測到的編號為GW170104的引力波事件，使用數(shù)學(xué)方法模擬兩個正在融合的黑洞附近所產(chǎn)生的時(shí)空彎曲。藍(lán)色部分代表了引力波的波峰與波谷。隨著波幅的增強(qiáng)，顏色逐漸變白。

Katsavounidis強(qiáng)調(diào)，雖然潛力十分驚人，但可以探測到的反向?qū)ΨQ跡象并不大。如果科學(xué)家能夠檢測到更多的反向?qū)ΨQ系統(tǒng)，那么這樣的證據(jù)就可以支持被稱為動態(tài)捕獲的形成場景——在充滿恒星的宇宙環(huán)境中，黑洞在這樣的場景中各自演化。在這樣的環(huán)境中，只需通過引力的“動態(tài)”吸引，黑洞與各種自旋最終可以在雙星系統(tǒng)中配對。

實(shí)際上，動態(tài)捕獲與稱為“共包層演化”（common envelope evolution）的模型正好相反。對后者而言，雙黑洞系統(tǒng)演化進(jìn)程是一致的，其旋轉(zhuǎn)方向與軌道角動量形成對齊。事實(shí)上，LIGO團(tuán)隊(duì)推測，2015 年 12 月的檢測具有很大的對齊自旋概率，與最新的信號恰恰相反。

“這是第一次我們看到反向?qū)ΨQ的證據(jù)，”Katsavounidis說?！叭绻覀兡軌驒z測到更多的系統(tǒng)，我們就可以確定黑洞是在什么樣的情況下形成和發(fā)展，并最終形成合并的雙黑洞系統(tǒng)?！?/p>

偶然性發(fā)現(xiàn)

在此次觀測中，升級后靈敏度更高、探測范圍更遠(yuǎn)的advanced LIGO（簡稱：aLIGO）起到了關(guān)鍵作用，它于 2016 年 11 月 30 日開啟了它的第二次運(yùn)行，預(yù)計(jì)今年 8 月結(jié)束。針對于這第三次觀測“GW170104”的執(zhí)行，Katsavounidis認(rèn)為，這還是有一定偶然因素在其中的。

在 2017 年 1 月 4 日，世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間10：11：58.6，在華盛頓州的漢福德，LIGO探測器記錄到了一次引力波。三毫秒后，遠(yuǎn)在 3000 多公里外的路易斯安那州利文斯頓市的檢測器也探測到了該引力波。在觀測過程中，因?yàn)橐Σǖ年P(guān)系，兩個探測器探測結(jié)果顯示出交替性的膨脹和縮小，這也造成了兩個探測器所搜集的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了不小的波動。

在幾十秒內(nèi)，LIGO的搜索算法開始自動分析引力波信號，并將其與之前所發(fā)現(xiàn)的引力波特征進(jìn)行比較。

Katsavounidis說：“德國一位非常認(rèn)真的研究人員在研究收集來的數(shù)據(jù)的時(shí)候，注意到其中一個檢測器似乎采集到了十分重要的信號，事實(shí)證明他的判斷是正確的?！?/p>

圖丨麻省理工學(xué)院教授、LIGO科學(xué)家Katsavounidis

研究人員當(dāng)即通知LIGO的探測器操作和數(shù)據(jù)分析工作組開始進(jìn)一步的信號分析工作。科學(xué)家們使用計(jì)算工具來盡可能地縮小現(xiàn)有的參數(shù)集合，這包括系統(tǒng)的質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)和方向等數(shù)據(jù)。工作的結(jié)果就是新探測到的重力信號與已知的數(shù)據(jù)高度匹配。

而對于這一現(xiàn)象最好的解釋就是：和前兩次觀測一樣，這次引力波信號也來自于兩大黑洞的合并。合并后的黑洞質(zhì)量相當(dāng)于太陽質(zhì)量的49倍，但仍要低于LIGO的首次引力波檢測“GW150914”中所發(fā)現(xiàn)的高達(dá)62倍太陽質(zhì)量的黑洞。

對抗引力波探測器的模糊性

通過這次新的檢測發(fā)現(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)再次證實(shí)了愛因斯坦的廣義相對論，觀察到合并黑洞的行為符合愛因斯坦對引力效應(yīng)的預(yù)測。

“這太神奇了，”Katsavounidis說。“無論你談?wù)摰厍蛏系闹亓?，還是引力達(dá)到地球十億倍以上的地方，廣義相對論仍然能夠描述這些引力波是如何產(chǎn)生的，以及物體如何在重力下發(fā)揮作用?！?/p>

作為信號初步分析的一部分，LIGO的研究人員制作出了“天空圖”——標(biāo)明了雙黑洞系統(tǒng)可能位于區(qū)域。作為標(biāo)準(zhǔn)程序的一部分，LIGO團(tuán)隊(duì)將這些天空地圖發(fā)送給大約80個天文學(xué)小組，每個小組都可以訪問跨越整個電磁頻譜以及中微子頻譜的成像工具。值得關(guān)注的是，雖然LIGO一直在繼續(xù)尋找宇宙中其他極端事件的跡象，但天文學(xué)家一直將望遠(yuǎn)鏡指向GW170104的來源，希望觀察到黑洞碰撞所產(chǎn)生的閃爍。

圖丨三次LIGO觀測到的黑洞合并事件，LVT151012為尚不確定的可能存在的第四次探測結(jié)果

“實(shí)際上，LIGO充當(dāng)了我們的耳朵——也可以說，我們想聽到一些東西，然后我們的眼睛會迅速地跟隨信號而去，”Katsavounidis說?！拔覀兊氖姑窃谌蚍秶鷥?nèi)設(shè)置新的引力波探測器，從而能夠?qū)挂Σㄌ綔y器的模糊性，并盡快將檢測與光源進(jìn)行配對。”

很幸運(yùn)的是，搜索引力波的行動很快將獲得一組新的耳朵——“處女座”（Virgo）探測器位于意大利比薩附近，預(yù)計(jì)今年夏天將上線，并與LIGO進(jìn)行配對。

加州理工學(xué)院教授、LIGO實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行主任David Reitze表示：“隨著第三次雙黑洞合并引力波事件的確認(rèn)，LIGO已經(jīng)成為觀測宇宙暗面的強(qiáng)大工具。在未來，我們希望LIGO除了用于引力波觀測，還能用于觀測更多的天體物理學(xué)現(xiàn)象，比如兩顆中子星的劇烈碰撞等?！?/p>

Katsavounidis表示：“從尋找罕見事物領(lǐng)域的角度來看，我一直在猶豫，只有一次檢測成功是否能夠被宣布為勝利。但我現(xiàn)在可以說的是，在第二次檢測后，我已經(jīng)可以睡個安穩(wěn)覺了，而如今的第三次檢測則成功奠定了LIGO以及LIGO的觀察結(jié)果作為觀察宇宙中黑洞質(zhì)譜終極工具的基石?！?/strong>