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又一次探測到引力波,這次的發現有點巧

2月
07
2018

2018年2月07日18時 今日科學 中國科普博覽

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編譯:左文文(中國科學院上海天文台)

LIGO又探測到一次引力波事件,還是源於雙黑洞併合。除去疑似的引力波事件,這已是人類第六次探測到引力波。

圖1 黑洞合併模擬圖(圖片來源於NASA)

由於此次引力波被探測到的時間是協調世界時2017年6月8日,故被記為GW170608。它是源於約10億光年之外的兩個恆星級質量黑洞的併合,併合前質量分別為7倍和12倍太陽質量,併合後黑洞質量是18倍太陽質量,也就是說損失掉了1倍太陽質量,以引力波的方式傳播出去。

GW170608被探測到,仍然讓科學家們很興奮,但從他們沒有召開新聞發布會可以看出,引力波被探測到已經越來越常態化,不再是2年前的情形——一次發現讓你激動萬分,必須得千呼萬喚才發布。

大家一定還是很想知道GW170608是怎樣的?這次發現有什麼意義?未來LIGO和VIRGO有什麼計劃?就讓我們一起了解下。

回 顧

我們還是先回顧一下之前的五次確定的引力波事件以及一次疑似引力波事件。

GW150914:2015年9月14日,首次探測到了引力波,是由雙黑洞併合產生的。併合後總質量約62倍太陽質量。

圖2 LIGO兩個探測器所觀測到的GW150914引力波事件,上圖左圖來自位於漢福德的LIGO探測器,右圖來自位於利文斯頓的LIGO探測器,圖中顯示兩個LIGO探測器中都觀測到的由該事件產生的引力波強度如何隨時間和頻率變化。(圖片來源於LSC/Virgo Collaboration)

GW151226:2015年12月26日,又看到了一次,這次併合的雙黑洞質量比上次的小一些。併合後總質量約21倍太陽質量。

LVT151012:疑似引力波事件,可能源於雙黑洞併合。

GW170104:2017年1月4日,再看到一次源於雙黑洞併合的引力波事件。併合後黑洞總質量約48.7倍太陽質量,介於第一次和第二次之間。黑洞也是這三次中距離我們最遙遠的。

GW170814:2017年8月14日,又看到一次源於雙黑洞併合的引力波事件。這是Virgo首次與LIGO合作探測到的引力波。

GW170817: 2017年8月17日,又看到一次引力波事件,是首次看到源於雙中子星併合的引力波事件,且觀測到了引力波的電磁波對應體,實現了引力波和電磁波雙劍合璧的夢想,拉開了「多信使天文時代」的帷幕。

數一數,沒錯,這次的GW170608是第六次確定探測到的引力波事件。

GW170608是如何被發現的?有點巧

從升級後LIGO的第二次觀測運行開始,即從2016年11月30日開始,LIGO的兩個探測器就開始努力搜尋引力波。隨後在2017年8月1日,Virgo加入了探測隊伍,大大縮小引力波事件的空間定位範圍。

繼GW170104,GW170608是第二次觀測運行(O2)期間探測到的第二個引力波事件,在它之後被探測到的GW170814和GW170817卻先發布出來,原因是什麼呢?LIGO給出的說法是,後兩者的分析理解占用時間了,只好就推遲GW170608的發布了。

能探測到GW170608,還有一點運氣的成分呢!

圖3 位於美國路易斯安那州利文斯頓的LIGO探測器外觀(圖片來源:LIGO Laboratory/Corey Gray)

大約2017年5月份時,也就是在這次探測前的1個月左右,LIGO暫停了O2,位於漢普頓和利文斯頓的LIGO探測器都打開了真空系統,進行調試。位於利文斯頓的LIGO探測器(以下稱「小利」)先完成了調試,打算兩個星期後重新開始觀測。而漢普頓的探測器(以下稱「小漢」)遇到了一些額外的問題,因此推遲了觀測開始時間。

時間到了6月7日下午,小漢終於解決了問題,在為引力波觀測做最後的準備。準備流程中的一個常規調試,是在特定的頻率範圍內輕微「搖動」主鏡,來判斷主鏡轉動(angular motion)會帶來多少噪聲,然後再想法降低它。湊巧的是,就在科學家們輕微「搖動」主鏡的幾分鐘裡,GW170608拂過小漢;大約7毫秒後,拂過小利。

小利迅速報告了「自己可能探測到了一次引力波事件」,而小漢因為還處於調試準備中,自動預警系統尚沒有有效工作。儘管正在執行的調試影響了小漢自動分析數據,自動預報,但沒有影響管理小漢的科學家們來分析判斷。好就好在,執行的常規調試只是在一個很窄的頻率範圍內,既然這部分受影響,那科學家們在分析時就捨棄掉這段,從其它頻率範圍的數據仍然能找到引力波事件留下的信號。

圖4 觀測到的GW170608的信號(圖片來源:LIGO)

GW170608能告訴我們什麼新東西呢?

與前面多次引力波事件的相同點之一是,GW170608引力波事件也源於雙黑洞併合。讓GW170608稍顯特別的點在於,GW170608的產生源頭——兩個黑洞質量更小,如圖5所示。

圖5 目前所探測到的黑洞和中子星質量分布圖。藍色圓標示LIGO-Vrigo探測到的黑洞,紫色圓標示通過電磁波間接探測到的黑洞。

此次引力波事件的主角——兩個黑洞質量分別是7倍和12倍太陽質量,與通過電磁波(如X射線)間接探測到的黑洞質量相近。曾經為了研究這種質量範圍的黑洞,我們只能從電磁波觀測獲取信息;現在借著GW170608,儘管不是針對同一個黑洞,但至少是針對同一質量範圍的黑洞,我們可以看看引力波傳達的信息。綜合起來,將能幫助天文學家們更好地認識處於這一質量範圍的恆星級質量黑洞。

不久前GW170817開啟了電磁波和引力波雙劍合璧的「多信使天文學」時代,GW170608以及未來更多的「GW170608」 和 「GW170817」將會繼續豐富這個時代。

未來還有什麼?

LIGO和Virgo將進一步升級,提高靈敏度。預計2018年秋季開啟新一輪觀測(O3)。在升級期間,科學家們將繼續分析研究已完成的O2運行期間獲取的數據,做一些測試性的觀測,也繼續為O3作準備。

(文章首發於科學大院,轉載請聯繫cas@cnic.cn)

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