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諾獎季前的發布會 引力波探測小分隊添新

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10月初,一年一度的諾貝爾物理學獎即將公布。

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2016年2月,人類首次直接探測到引力波的消息如潮水般占據了世界各大媒體的重要位置,之後又橫掃了科學界幾乎所有大獎。唯獨諾獎不爲所動,出人意料地授予了三位拓撲相變領域的科學家。

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後來,諾獎方面給出解釋稱,原因是引力波的宣布時間晚於諾獎申報時間。

其後,美國激光干涉引力波天文台(LIGO)相當給力,再度公布了另外兩起確認的引力波事件,並在網頁上說明,還有更多事件在等待確認。

種種跡象表明,引力波探測已經日常化,引力波時代已經到來。

鑒於引力波探測的重要性,以及近幾年來幾乎沒有重要性可與之相匹敵的其他科學發現,如果讓我猜測的話,引力波將毫無懸念地捧走2017年諾貝爾物理學獎。

然而,就在諾獎揭曉之前,引力波再出大動作,雖然不及首發那般轟動,但依然再度吸引了人們的目光。

(有人開玩笑說,難道是爲了給諾獎拉票?哈哈,並不是的。現在拉票有點來不及了。)

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根據ScienceAlert網站率先披露的消息,LIGO/VIRGO(VIRGO指歐洲室女座天文台)科學協同組織將於北京時間9月28日淩晨12點30分,在義大利都靈召開新聞發布會。

文中提到,此次發布會將宣布今年8月14日探測到的一例引力波事件,很有可能來自雙黑洞以外的其它引力波源。

消息來源是一位在天文學界向來聲譽不錯的科學家,LIGO/VIRGO組織有著嚴格的保密條款,在此情況下走露的風聲格外令人著迷。

來自這位科學家的消息是:LIGO和VIRGO才聯合工作沒幾天,就觀測到了有史以來第一例雙中子星合並所産生的引力波。《自然》雜誌隨後發文,跟進了這一“科學流言”的整個産生和發展經過。

而LIGO也隨即發表聲明 ,既沒否認也未確認這一“流言”,只是聲稱LIGO/VIRGO發現了很多例事件,仍待進一步確認。

不過,種種跡象表明,此次探測到的引力波來自雙中子星合並的概率很大!

既然引力波在今天已不是什麽大新聞,一個新來源還有什麽令人興奮之處嗎?

答案是肯定的。

如果此次探測到的引力波來源確爲雙中子星合並,對科學界而言意義甚爲重大。

原因在於,之前三次雙黑洞合並只有引力波産生,不産生電磁輻射,而雙中子星合並會産生以上兩者。

所以,如果探測到來源於雙中子星的引力波事件,我們就可以將之作爲引力波多信使天文學真正意義上的開端了。

除此之外,雙中子星合並通常被認爲是伽馬射線暴的一類産生源,會産生很多不同的觀測現象,所以綜合引力波、電磁波等多個方式的觀測,我們能夠對中子星這一充滿謎團的天體做出更爲詳細的了解。

贅言至此,昨晚的發布會究竟說了啥?


無關雙子,發布會依然意義重大

此次發布會利用了G7峰會(七國集團首腦會議,包括美、日、德、英、法、義、加)科學部長分會的召開時間,參會人員包括LIGO發言人以及歐洲VIRGO團隊的科學家。

身爲美國自然基金委員會主任的弗朗斯·科爾多瓦(France Cordova)再度亮相發布會,她此前只在引力波首次發布會上亮相,其後兩次常規發布並未出現,她此次現身莫非意味著什麽大動作?

我不禁心下八卦一番,欣欣然盼望她公布與雙中子星相關的內容。

不料,此次宣布的、編號爲GW170814的引力波依舊來自於雙黑洞合並。

兩個黑洞質量分別是30.5和25.3個太陽質量,合並後的質量約爲53.2個太陽質量,也就是說,在極短的時間之內,大約有2.6個太陽質量以引力波的形式損失掉了。通過整個持續了大約0.25秒的波形振幅擬合,我們由此可以推斷,此次雙黑洞合並發生之處距離我們大約18億光年。

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圖1:三個探測器分別觀測到的信號時間演化圖

(第一行圖爲信噪比,第二行圖爲對應的引力波頻率,第三行圖是對應的時空變形程度)

數光年之外的我們最多只能探測到黑洞的三個物理量——質量、電荷和角動量,這三者也被成爲黑洞“三毛”。

非常神奇的是,在此次雙黑洞合並之後,表徵黑洞角動量的自旋值竟然還是0.70——與之前三次雙黑洞系統合並得到的自旋值(分別是0.67、0.74、0.64)相當接近。這一數據肯定在某種程度上反映了黑洞合並之前的演化歷程,只不過我們現在還不清楚個中原委。

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圖2:黑洞質量分布圖(紫色爲電磁X射線波段發現的黑洞,藍色爲引力波發現的黑洞)。

雖然引力波此次並非來自新的天文系統,但這一發布會依然意義重大。這是歐洲室女座天文台VIRGO直接探測到的第一例引力波事件,意味著VIRGO的成功運行。

2015年9月,美國的兩個LIGO天文台如期升級完畢,按照原計劃開始運行。在剛剛開始運行的幾分鍾時間內,便幸運地探測到了眾所周知的第一例引力波事件GW150914,所以這一發現也被稱爲“上帝的禮物”。

然而,因爲只有兩個探測器,我們很難精確地確定引力波源的方位。其給定範圍通常在幾百平方度左右,這一範圍之內的天體實在是太多了,我們很難尋找和確定雙黑洞在電磁波段的對應體。

所以,科學家們急需更多的引力波探測器加入到探測行列中去,VIRGO就是肩負最多期待的一個。


室女發力,提升探測靈敏度精確度

這位室女最初有那麽一丁點兒“遲鈍”。

VIRGO于1996年動工始建,最早只有法國和義大利兩個國家參與。

2000年,這兩個國家共同成立了歐洲引力波天文台,主要負責VIRGO的建設和升級,推廣促進引力波在歐洲的研究。

到2003年6月,VIRGO完成了初期建設,它採用的也是和LIGO類似的干涉探測方式,每個臂長是3公里(LIGO臂長爲4公里)。

在測試校對之後,VIRGO在2007年到2011年之間進行了一系列觀測,也曾與美國兩個LIGO天文台協作。但由於設備整體靈敏度不足,盡管三個設備一起運行,也未探測到任何引力波信號。

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圖3:(上)此次GW170814不同方式的定位精度比較;(下)目前已知黑洞系統源的定位精度比較。

所以從2011年起,三個設備計劃升級,升級後設備靈敏度有望達到之前的10倍。本預計和LIGO在2015年一起完成升級、運行觀測,VIRGO卻因懸挂光纖的問題遲遲未能加入。直到今年8月1日,VIRGO才正式加入LIGO的第二次科學運行(O2),展開聯合觀測,到8月25日結束,整整運行了25天。

數據顯示,在整個聯合運行期間,VIRGO有84%的時間都在進行科學數據收集,狀態非常好。昨夜發布會的主角GW170814,就是三個探測器在聯合運行14天時發現的。

正如現場幾位科學家所強調的那樣,VIRGO的加入不僅爲引力波探測增加了一個新的維度,更爲重要的是,它使得空間位置的不確定性大大降低了(見圖3)。

兩個LIGO探測器快速空間定位的範圍約爲1160平方度;VIRGO加入之後,定位範圍將會收縮到100平方度。如果進一步利用貝葉斯統計方法對所有可能參數進行估算,空間定位將進一步縮減至60平方度。

這樣一來,空間定位就足足提高了將近20倍,可以說是一個相當了不起的成就!

正因空間定位得到了極大提高,我們才有可能對存在電磁對應體的其他現象進行追蹤觀測,科學界期待多時的多信使天文學才有可能真正實現,人類對於諸如雙子星等天體的全面研究才有機會成爲可能。

接下來,三個設備將再次進行爲期一年的升級,屆時靈敏度有望再提高2倍,定位區域的精確度也將進一步改善。

回到開頭的話題,科學家究竟有沒有探測到雙中子星合並産生的引力波呢?

可能性很大。

根據伽瑪射線暴協調網絡(Gamma-ray Coordinates Network)的消息,很多空間和地面望遠鏡(包括費米、PanSTAR、iPTF、Gemini等)都已經觀測到了可能的雙中子星合並電磁現象。

此次發布會之所以未公布中子星相關信息,其考量一來或許因爲發布會的重點在於檢驗VIRGO的正常運行,二來黑洞合並相較於其他引力波源來說更爲簡單。雙中子星合並産生的引力波形更加複雜,存在著更多不確定性,需要科學家耗費更多時間、更加謹慎地確認。

在過去的20個月裡,在經歷了4次引力波發布會之後,公眾或許已經對雙黑洞引力波的成功探測習以爲常,甚至産生了審美疲勞。

不過,在科學界,引力波的直接探測才剛剛開始,科學家們已經看到了利用引力波研究宇宙另一面的神奇效應,引力波成爲了科學家望向宇宙的第二雙眼睛,讓我們得以看到電磁波發現不了的諸多天體。

因此,更多更加靈敏的引力波天文台也正在建設之中,包括印度的LIGO-India以及眾多第三代引力波探測器(比如美國Voyager探測器)。

一旦這些探測器準備就緒,人類的天文觀測將進一步極大改善,不過或許要等到至少十年之後才能實現了。我們不妨先期盼一下近前的事情,比如,今年諾貝爾物理學獎花落引力波。


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