今年 1 月 4 日，激光干涉引力波天文臺(tái)（Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory, LIGO）收到了一個(gè)難以察覺(jué)的信號(hào)，科學(xué)家們?cè)诮?jīng)過(guò)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(dòng)。

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

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

編號(hào)為 GW170104 的信號(hào)，當(dāng)被轉(zhuǎn)換成音頻頻帶后，呈現(xiàn)出一種類(lèi)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(shuō)是在遙遠(yuǎn)的宇宙中，兩個(gè)大質(zhì)量天體合并時(shí)產(chǎn)生的能量信號(hào)。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(gè)恒星質(zhì)量級(jí)黑洞碰撞所產(chǎn)生的，其中一個(gè)的質(zhì)量約為太陽(yáng)的31倍，另一個(gè)則是太陽(yáng)質(zhì)量的19倍。

這次由 LIGO 捕獲的信號(hào)持續(xù)時(shí)間不到十分之二秒，科學(xué)家計(jì)算出這兩個(gè)黑洞在最終融合成一個(gè)約為太陽(yáng)質(zhì)量 49 倍的黑洞之前，彼此圍繞對(duì)方相互旋轉(zhuǎn)了約 6 次。這種宇宙級(jí)大碰撞產(chǎn)生的能量本身就能達(dá)到太陽(yáng)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(cè)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(jí)雙黑洞系統(tǒng)一旦合并，其質(zhì)量將至少是太陽(yáng)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(lèi)歷史上首次探測(cè)到的編號(hào)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(lèi)已知的的最遠(yuǎn)距離的恒星質(zhì)量級(jí)黑洞?！?/strong>

反向?qū)ΨQ(chēng)

新的引力波信號(hào)與LIGO的前兩次檢測(cè)類(lèi)似，不僅在于它們的來(lái)源——雙黑洞系統(tǒng)——還在于來(lái)源的整體質(zhì)量上。

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

圖丨根據(jù)LIGO探測(cè)到的編號(hào)為GW170104的引力波事件，使用數(shù)學(xué)方法模擬兩個(gè)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(cè)到的反向?qū)ΨQ(chēng)跡象并不大。如果科學(xué)家能夠檢測(cè)到更多的反向?qū)ΨQ(chēng)系統(tǒng)，那么這樣的證據(jù)就可以支持被稱(chēng)為動(dòng)態(tài)捕獲的形成場(chǎng)景——在充滿恒星的宇宙環(huán)境中，黑洞在這樣的場(chǎng)景中各自演化。在這樣的環(huán)境中，只需通過(guò)引力的“動(dòng)態(tài)”吸引，黑洞與各種自旋最終可以在雙星系統(tǒng)中配對(duì)。

實(shí)際上，動(dòng)態(tài)捕獲與稱(chēng)為“共包層演化”（common envelope evolution）的模型正好相反。對(duì)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(dòng)量形成對(duì)齊。事實(shí)上，LIGO團(tuán)隊(duì)推測(cè)，2015 年 12 月的檢測(cè)具有很大的對(duì)齊自旋概率，與最新的信號(hào)恰恰相反。

“這是第一次我們看到反向?qū)ΨQ(chēng)的證據(jù)，”Katsavounidis說(shuō)。“如果我們能夠檢測(cè)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(cè)中，升級(jí)后靈敏度更高、探測(cè)范圍更遠(yuǎn)的advanced LIGO（簡(jiǎn)稱(chēng)：aLIGO）起到了關(guān)鍵作用，它于 2016 年 11 月 30 日開(kāi)啟了它的第二次運(yùn)行，預(yù)計(jì)今年 8 月結(jié)束。針對(duì)于這第三次觀測(cè)“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(cè)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(cè)器也探測(cè)到了該引力波。在觀測(cè)過(guò)程中，因?yàn)橐Σǖ年P(guān)系，兩個(gè)探測(cè)器探測(cè)結(jié)果顯示出交替性的膨脹和縮小，這也造成了兩個(gè)探測(cè)器所搜集的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了不小的波動(dòng)。

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

Katsavounidis說(shuō)：“德國(guó)一位非常認(rèn)真的研究人員在研究收集來(lái)的數(shù)據(jù)的時(shí)候，注意到其中一個(gè)檢測(cè)器似乎采集到了十分重要的信號(hào)，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(cè)器操作和數(shù)據(jù)分析工作組開(kāi)始進(jìn)一步的信號(hào)分析工作。科學(xué)家們使用計(jì)算工具來(lái)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(cè)到的重力信號(hào)與已知的數(shù)據(jù)高度匹配。

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

對(duì)抗引力波探測(cè)器的模糊性

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

“這太神奇了，”Katsavounidis說(shuō)?！盁o(wú)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(duì)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(hào)初步分析的一部分，LIGO的研究人員制作出了“天空?qǐng)D”——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(gè)天文學(xué)小組，每個(gè)小組都可以訪問(wèn)跨越整個(gè)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(lái)源，希望觀察到黑洞碰撞所產(chǎn)生的閃爍。

圖丨三次LIGO觀測(cè)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(cè)結(jié)果

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

很幸運(yùn)的是，搜索引力波的行動(dòng)很快將獲得一組新的耳朵——“處女座”（Virgo）探測(cè)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(duì)。

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(cè)宇宙暗面的強(qiáng)大工具。在未來(lái)，我們希望LIGO除了用于引力波觀測(cè)，還能用于觀測(cè)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。”

Katsavounidis表示：“從尋找罕見(jiàn)事物領(lǐng)域的角度來(lái)看，我一直在猶豫，只有一次檢測(cè)成功是否能夠被宣布為勝利。但我現(xiàn)在可以說(shuō)的是，在第二次檢測(cè)后，我已經(jīng)可以睡個(gè)安穩(wěn)覺(jué)了，而如今的第三次檢測(cè)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>