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引力波巨浪再袭,这次奔着诺贝尔奖去了?

出品:科普中国

制作:国家天文台黑洞来客团队 苟利军 黄月

监制:中国科学院计算机网络信息中心

2016年的2月11日,中国农历新年刚刚开始,遥远大洋的彼岸传来一个令人振奋的消息,等待了一个世纪的引力波首次被美国的激光引力波干涉仪(LIGO)直接探测到了。今天,在等待了4个月之后,人们再一次迎来了LIGO科学组织(LSC)召开的第二次新闻发布会,对LIGO的最新观测结果进行了宣布。尽管似乎缺少了一丝的兴奋感,但是发布会依旧让我们充满了期待,因为LIGO现在的每一次发现都是全新的。

引力波巨浪再袭,这次奔着诺贝尔奖去了? 黑洞合并模拟图

这次所发布的内容可以简单归纳为如下三点:

(1)此次的两个引力波信号又都是来自于双黑洞的合并:一个确认信号,另外一个疑似信号。

(2)此次的信号依旧是美国的aLIGO探测到的。但是VIRGO引力波探测器升级即将完成,今年秋季就开始和LIGO进行联合观测。

(3)引力波和多信使(多个信息渠道,比如电磁波,引力波,中微子等;multi-messenger)天文学已被开启。

或拿诺奖?奖项已经拿到手软

众所周知,2月份的引力波被公布之后,引力波作为一种全新的探测宇宙的方式,即将为我们掀起宇宙的新的一面。所以它因此也在全球掀起了知识传播的巨浪,不仅仅是科学界,几乎是社会的各个领域。在很短的时间,引力波成为了网红的代名词。本来默默无闻的学科,也在极短的时间之内变的异常火热。而作为建立LIGO的三位奠基人,罗奈尔特?德雷弗(Ronald W P Drever),基普?索恩(Kip S Thorne),雷纳?韦斯 (Rainer Weiss),也因此而成为诺奖的最热门人选。

到目前为止,三位创立者已经获得了几乎物理天文界的所有大奖,总共370万美金,包括基础物理科学突破奖特别奖(the Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics;总共300万美金奖金,其中100万给三位创建人,200万给1012位LIGO科学家),格鲁伯宇宙学大奖 (50万美金),“东方诺贝尔奖”美称的邵逸夫奖(120万美金),卡弗里奖(Kavli Prizes;100万美金)。而这些奖项颁发的原因差不多都是因为“不懈追求利用引力波来观察宇宙的视角,导致了引力波的直接探测”。

接下来最让人们期盼的应该就是有着“炸药奖”俗称的诺贝尔奖了。尽管诺奖没有特定的评审标准,但肯定是需要对人类社会进步有着巨大的影响。正如我们已经看到,并且可以预见到的,引力波将开启一个前所未有的伟大时代,上一次的发现暂且存疑的话,再一次的发现在很大程度上消除了大家的疑虑, 也让我们更加确信和意识到只要设备足够灵敏,就可以常态化地探测到来自星辰大海的声音,看到宇宙中难以被察觉的一面。

在目前看来,几乎是没有其它的发现或者物理技术可以和引力波的深远意义相比肩,而此次新的事例的发布更是让我们相信引力波获会在今年的秋季毫无悬念地获得诺奖。相信这几位为诺奖都已准备好了。

诺奖,来吧!

引力波巨浪再袭,这次奔着诺贝尔奖去了? 从左向右:LIGO三位创建人

又是黑吃黑?

既然这次的引力波又是“黑吃黑”的火拼,那和之前有什么不同吗?

引力波巨浪再袭,这次奔着诺贝尔奖去了? 左:已知质量的黑洞和电磁研究的黑洞质量比;右:三本样本在时域中的比较(LIGO新闻发布会)

在比较之前,让我们先看看这次发现的一些数据细节。这次的引力波源GW151226是在2015年12月26日(UTC时间)被观测到的,也就是西方的圣诞节期间,所以也是被称之为圣诞老人送来的礼物。这个双黑洞系统中,黑洞的质量分别为大约为14个太阳质量和8个太阳质量。aLIGO测量到了黑洞大约30圈的绕转,最后合并成为21个太阳质量的黑洞,1个太阳质量以引力波的形式释放了出去。整个信号过程持续了大约1秒。合并以后的黑洞自旋大约是0.74(自旋是角动量的无单位物理量,在0到1之间变化,0代表没有转动,1代表了转动最快)。当然距离黑洞天体的距离也得到了测量,大约是离我们14亿光年。最后还有很重要的一点是,这次信号的信噪比依旧很高(S/N=13),对应的置信度超过了5.3σ, 超过了物理学定义“发现”的黄金标准5σ的要求。所以也算是一次真正意义上的探测。

相比较第一次的引力波源GW150924系统,上次的黑洞质量分别为29和36个太阳质量,合并之后的太阳质量大约为62个太阳质量,3个太阳质量被以引力能的形式释放出去。合并以后黑洞的自旋大约0.68。黑洞系统的距离大约是13亿光年。

除过之上的确认系统之外,还有一个疑似系统 LVT151012,因为它的置信度只有大约1.7sigma,所以很难判断是不是真正的信号。但是如果是真,那么它的黑洞质量将分别是23和13太阳质量,最后合并之后的质量是35个太阳质量,释放出1个太阳质量的引力波。合并以后黑洞的自旋大约是0.66。距离大约是32亿光年。

简单对比,我们可以看到两次确认系统的距离都非常的接近,但是质量确实差别很大。几乎包含了各个质量范围的黑洞。不过让我们很兴奋的是,在这次的发现中,合并之前的黑洞质量和我们在银河系中所看到的黑洞差不多。这从侧面告诉我们黑洞双星系统在我们宇宙中存在的普遍性。而这之前是从来没有被探测到的。同时也说明只要是探测器的灵敏度足够高,我们就可以探测到来自这些系统的引力波信号。

按照LIGO负责人在此新闻发布会中的说法,LIGO探测器目前只达到了计划灵敏度的40%,而在今年秋天的第二次科学运行之时,灵敏度将在现有基础上再提高15%到25%。所以到时LIGO将会看地更远,探测到更多的事件。另外一个好消息是到时VIRGO也会同时运行。VIRGO的性能和目前aLIGO相当,所以三个探测器联合观测,引力波源位置的精确度将会极大提高。

引力波巨浪再袭,这次奔着诺贝尔奖去了? LIGO位置探测精确(左);LIGO和VIRGO的联合探测精度(右)。(LIGO新闻发布会)

神奇的自旋门槛0.7?

当笔者注意到这三个系统的自旋值大约都在0.7的时候,产生了极端的好奇感。难道0.7是个神奇的数字,这难道是合并黑洞跨越不过去的门槛?对于笔者领导的黑洞团组而言,通过电磁方式,专门从事黑洞性质的测量,尤其是利用X射线的数据对黑洞的自旋做出测量。从目前测量得到的10多个黑洞黑洞自旋数据来看,单个黑洞的自旋值随机的分布在0(没有转动)到1(极端转动)之间。这似乎没有规律。而这些系统也和引力波所发现的双黑洞系统有差别,尽管都是双星系统,电磁方式研究的系统中,其中一个是黑洞,另外一个是正常的恒星。对这些电磁系统黑洞的进一步统计调查,发现了一个很有趣的现象。如果双星系统中恒星的质量比较大的时候(只要不比太阳质量低),黑洞的自转都很快,大约至少在0.8之上或者接近于最大值。

对于目前引力波探测到的双黑洞系统,那么可以想象它们的前身星质量都很大(通常要形成黑洞的话至少要25个太阳质量)。所以我们可以想象它们各自在最后形成黑洞的时候,各自的自旋也都很大(这的确有很大猜测的成分在里面,但是很遗憾的是,现有的引力波探测结果对于合并之前的自旋值很难限制)。尽管每个黑洞的自旋都有可能很大,那么怎么合并之后黑洞的自旋就会有这样的限制呢?

如果没有相对论数值计算结果的帮助,的确我们没有办法回答。所幸的是,相对论数值计算在过去几年的快速发展,让我们对此问题有了比较清楚的认识。在对双黑洞质量和自旋参数空间进行搜寻计算之后,发现即使黑洞的自旋达到极大值的时候,在两个黑洞合并的过程当中,最终的自旋最大值就在0.7附近。这可以说是一个后验的结果。简单的解释是,当黑洞的自旋值相对比较低的时候,黑洞会相对比较容易合并,最终产生的自旋也有可能并不是特别高。但是如果两个黑洞的自旋都是很大的时候,它们就会经历一个所谓的自旋持续(spin hangup)的过程,两个黑洞很难合并,在这持续的过程当中,大量的能量以引力波的形式辐射出去,当整体能量降到一定程度的时候,黑洞合并了,这是就是我们看到的所谓黑洞自旋门槛值,大约0.7。我们可以大胆的猜测,说不定双黑洞系统最后的自旋都差不多在这个最大值附近。

恒星级黑洞的天文学研究现状

黑洞通常被认为恒星生命的终点,它是我们宇宙间最为神秘的天体之一。记得在星际穿越的电影当中,黑洞的中心存在着一个可以看到过去未来的超立方体。这或许仅仅是导演诺兰的一个美好想象而已。不过在现实的世界中,物理学家霍金反复在说,黑洞的中心是通往另外一个宇宙和时空的入口。着是否是真的,我们目前还无法验证。因为黑洞内部的无法探测,所以对于黑洞的最深入研究还仅仅停留在黑洞的外部。

在黑洞的研究当中,我们通常用三个量来定义一个黑洞,它们分别是:质量,自旋,和电荷。时常也称之为三毛定律。也就意味着我们只要知道了这三个量,我们就可以将不同的黑洞区分开来。对于天文中的黑洞而言,电荷很容易被电中性,所以只有了质量和角动量,更为简单一些。所以黑洞时常被称之为宇宙间性质最为简单的天体。对于物理学家或者天文学家而言,最终的目的就是测量黑洞的质量和角动量。

引力波巨浪再袭,这次奔着诺贝尔奖去了? 目前探测到的黑洞分布(摘自美国astronomy杂志2014年10月期)

在引力波被探测到之前,人类一直是利用传统的电磁方式来发现和研究黑洞。从400多年前利用光学望远镜开始探索我们的宇宙开始,在上个世纪又发现了光学之外的其它电磁方式(射电,X射线等),宇宙探索的步伐在不断加快。自从第一个黑洞候选体天鹅座X-1在60年代初被发现,到目前为止,差不多已经半个世纪过去,但是我们发现并且确认的恒星级黑洞并不是特别多,总共只有二十多个,而且几乎绝大多数都是位于我们的银河系当中。根据观测和理论的联合估计,仅仅在我们这个银河系当中,恒星量级的黑洞的数目就至少有在1000万个以上,因为黑洞本身没有任何的电磁辐射(霍金辐射忽略不计),所以造成了黑洞观测的困难性。

只有在黑洞周围吸积盘产生比较明亮的辐射,或者黑洞产生非常强的喷流辐射的时候我们才能够间接地探测到可能黑洞的存在。之后通过进一步的光学观测,和通过大量的数据分析计算,我们才有可能测量到中心天体的质量,从而最终确定中心天体是否是黑洞(如果远大于三个太阳质量,我们就可以确定的说是黑洞)。所以可以想象这其中的过程是非常的漫长和复杂。对于黑洞角动量的测量,又需要利用其他的波段(比如X波段)和独立的方式去测量。还有一个非常重要的一点是,尽管目前确认了很多黑洞,但是还有一个非常重要的一点,我们还不能百分之百的确认那就是黑洞,只有我们真正地探测到了理论当中黑洞的视界面的时候,才可以确认那就是黑洞。现有的电磁方式还有达到这个目标。不过已经在这个有人在朝着这个方向努力。麻省理工学院和一些其他大学的科学家们开启了一项叫做“视界望远镜(event horizon telescope)”的项目,利用分布在全球的亚毫米望远镜,达到基线10000公里,对黑洞的视界面直接成像,得到所谓的“黑洞影子”,从而最终确认黑洞在宇宙当中的存在。估计在2017年就可以得到第一批有关我们银河系中心超大质量黑洞视界的图像。

引力波和多信使的研究时代来临

在电磁波的时代,最简单的天体的研究也是非常耗时和复杂的。然而随着引力波的探测的揭幕,黑洞的研究似乎变得异常简单。

首先引力波第一次直接真正地验证了黑洞的存在。因为合并之时和之后,引力波的产生是黑洞视界面变化的效果,所以这直接验证了黑洞在宇宙当中的存在。

引力波同时也让黑洞基本性质的研究变得更为简便和有效。尽管引力波的探测和数据处理是非常的复杂,但是一旦引力波信号被合理的提取之后,通过一次的引力波探测,我们就可以知道有关黑洞的所有信息,质量和自旋。从这个意义上来讲,引力波将极大的加速我们对于黑洞的研究和认识。

引力波巨浪再袭,这次奔着诺贝尔奖去了?

对于黑洞系统而言,正如发言人所说,我们并不期待黑洞系统的合并能够产生相对应的电磁辐射,所以引力波有可能是探测黑洞系统的最为有效的方式。但同时我们也知道,宇宙间有着很多其它的天体也能够产生强烈的引力波,比如双中子星合并。对于这些天体,我们就可以利用多信使的方式进行研究。多信使意味着利用不同的手段,比如可以利用引力波,电磁波(各个波段,从伽马光子一直射电),中微子等方式同时对这些系统进行研究,从而得到一个整体的图像和理解。

从之前的介绍知道,我们目前在电磁波段仅仅确认了数目极少的黑洞,剩余的绝大多数的黑洞在哪里?我们现在还不知道。或许是孤寂的存在于星系中,或许是和恒星在一起,只是不够明亮,没有被我们发现。或许也是以双黑洞的形式从在。多信使的手段或许能够告诉我们答案。

多信使的研究手段或许在宇宙学方面做出一些贡献。比如引力波可以直接测得系统的距离,而电磁方式的光谱如果能够给出红移,在我们获知一些这样的系统之后,那么我们就可以对宇宙的膨胀速度(也就是著名的哈勃常数)做出校准,从而间接的对宇宙的神秘物质暗能量也提供限制。

中国引力波研究现状

在引力波被宣布正式探测之前,引力波研究可以说是一个不温不火的研究状态。但是随着LIGO探测的发现。中国的引力波研究也随之进入一股前所未有的热潮。在理论研究的同时,中国也在积极地推动直接探测引力波的望远镜项目。目前,两个空间项目(太极计划和天琴计划)正在努力各自推进,而地面探测原初引力波的阿里计划也在积极筹备,估计不久将会开始建设。除此之外,还有准备利用即将建好的五百米射电望远镜(FAST)和正在建设的平方公里阵(SKA),用脉冲星计时阵的方式来探测引力波。而且这些中国未来的项目中也存在着一些极具影响力的机会。

多信使方式是科研的未来。中国的一些设备也加入了和LIGO科学组织进行联合观测的合作当中。目前目前已经和几十和望远镜签订了合作关系,准备一旦有引力波事件,这些相对应的望远镜就可以在对应的方向上对电磁对应体进行搜寻。国家天文台作为中国最大的天文研究机构,具有快速反应和大视场的地面光学系统GWAC已经加入其中,以及2020年有可能发射的爱因斯坦探针X射线卫星也在其中。

尽管中国起步晚了,但是在这刚刚开始拓荒的领域,相信随着我们的努力和坚持,我们会在这个广袤的宇宙中开垦出一片天地。

引力波巨浪再袭,这次奔着诺贝尔奖去了?

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