引力波巨浪再襲,這次奔著諾貝爾獎去瞭?

  2016年的2月11日,中國農歷新年剛剛開始,遙遠大洋的彼岸傳來一個令人振奮的消息,等待瞭一個世紀的引力波首次被美國的激光引力波幹涉儀(LIGO)直接探測到瞭。今天,在等待瞭4個月之後,人們再一次迎來瞭LIGO科學組織(LSC)召開的第二次新聞發佈會,對LIGO的最新觀測結果進行瞭宣佈。盡管似乎缺少瞭一絲的興奮感,但是發佈會依舊讓我們充滿瞭期待,因為LIGO現在的每一次發現都是全新的。

  黑洞合並模擬圖

  這次所發佈的內容可以簡單歸納為如下三點:

  (1)此次的兩個引力波信號又都是來自於雙黑洞的合並:一個確認信號,另外一個疑似信號。

  (2)此次的信號依舊是美國的aLIGO探測到的。但是VIRGO引力波探測器升級即將完成,今年秋季就開始和LIGO進行聯合觀測。

  (3)引力波和多信使(多個信息渠道,比如電磁波,引力波,中微子等;multi-messenger)天文學已被開啟。

  或拿諾獎?獎項已經拿到手軟

  眾所周知,2月份的引力波被公佈之後,引力波作為一種全新的探測宇宙的方式,即將為我們掀起宇宙的新的一面。所以它因此也在全球掀起瞭知識傳播的巨浪,不僅僅是科學界,幾乎是社會的各個領域。在很短的時間,引力波成為瞭網紅的代名詞。本來默默無聞的學科,也在極短的時間之內變的異常火熱。而作為建立LIGO的三位奠基人,羅奈爾特?德雷弗(Ronald W P Drever),基普?索恩(Kip S Thorne),雷納?韋斯 (Rainer Weiss),也因此而成為諾獎的最熱門人選。

  到目前為止,三位創立者已經獲得瞭幾乎物理天文界的所有大獎,總共370萬美金,包括基礎物理科學突破獎特別獎(the Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics;總共300萬美金獎金,其中100萬給三位創建人,200萬給1012位LIGO科學傢),格魯伯宇宙學大獎 (50萬美金),“東方諾貝爾獎”美稱的邵逸夫獎(120萬美金),卡弗裡獎(Kavli Prizes;100萬美金)。而這些獎項頒發的原因差不多都是因為“不懈追求利用引力波來觀察宇宙的視角,導致瞭引力波的直接探測”。

  接下來最讓人們期盼的應該就是有著“炸藥獎”俗稱的諾貝爾獎瞭。盡管諾獎沒有特定的評審標準,但肯定是需要對人類社會進步有著巨大的影響。正如我們已經看到,並且可以預見到的,引力波將開啟一個前所未有的偉大時代,上一次的發現暫且存疑的話,再一次的發現在很大程度上消除瞭大傢的疑慮, 也讓我們更加確信和意識到隻要設備足夠靈敏,就可以常態化地探測到來自星辰大海的聲音,看到宇宙中難以被察覺的一面。

  在目前看來,幾乎是沒有其它的發現或者物理技術可以和引力波的深遠意義相比肩,而此次新的事例的發佈更是讓我們相信引力波獲會在今年的秋季毫無懸念地獲得諾獎。相信這幾位為諾獎都已準備好瞭。

  諾獎,來吧!

  從左向右:LIGO三位創建人從左向右:LIGO三位創建人

  又是黑吃黑?

  既然這次的引力波又是“黑吃黑”的火拼,那和之前有什麼不同嗎?

  左:已知質量的黑洞和電磁研究的黑洞質量比;右:三本樣本在時域中的比較(LIGO新聞發佈會)

  在比較之前,讓我們先看看這次發現的一些數據細節。這次的引力波源GW151226是在2015年12月26日(UTC時間)被觀測到的,也就是西方的聖誕節期間,所以也是被稱之為聖誕老人送來的禮物。這個雙黑洞系統中,黑洞的質量分別為大約為14個太陽質量和8個太陽質量。aLIGO測量到瞭黑洞大約30圈的繞轉,最後合並成為21個太陽質量的黑洞,1個太陽質量以引力波的形式釋放瞭出去。整個信號過程持續瞭大約1秒。合並以後的黑洞自旋大約是0.74(自旋是角動量的無單位物理量,在0到1之間變化,0代表沒有轉動,1代表瞭轉動最快)。當然距離黑洞天體的距離也得到瞭測量,大約是離我們14億光年。最後還有很重要的一點是,這次信號的信噪比依舊很高(S/N=13),對應的置信度超過瞭5.3σ, 超過瞭物理學定義“發現”的黃金標準5σ的要求。所以也算是一次真正意義上的探測。

  相比較第一次的引力波源GW150924系統,上次的黑洞質量分別為29和36個太陽質量,合並之後的太陽質量大約為62個太陽質量,3個太陽質量被以引力能的形式釋放出去。合並以後黑洞的自旋大約0.68。黑洞系統的距離大約是13億光年。

  除過之上的確認系統之外,還有一個疑似系統 LVT151012,因為它的置信度隻有大約1.7sigma,所以很難判斷是不是真正的信號。但是如果是真,那麼它的黑洞質量將分別是23和13太陽質量,最後合並之後的質量是35個太陽質量,釋放出1個太陽質量的引力波。合並以後黑洞的自旋大約是0.66。距離大約是32億光年。

  簡單對比,我們可以看到兩次確認系統的距離都非常的接近,但是質量確實差別很大。幾乎包含瞭各個質量范圍的黑洞。不過讓我們很興奮的是,在這次的發現中,合並之前的黑洞質量和我們在銀河系中所看到的黑洞差不多。這從側面告訴我們黑洞雙星系統在我們宇宙中存在的普遍性。而這之前是從來沒有被探測到的。同時也說明隻要是探測器的靈敏度足夠高,我們就可以探測到來自這些系統的引力波信號。

  按照LIGO負責人在此新聞發佈會中的說法,LIGO探測器目前隻達到瞭計劃靈敏度的40%,而在今年秋天的第二次科學運行之時,靈敏度將在現有基礎上再提高15%到25%。所以到時LIGO將會看地更遠,探測到更多的事件。另外一個好消息是到時VIRGO也會同時運行。VIRGO的性能和目前aLIGO相當,所以三個探測器聯合觀測,引力波源位置的精確度將會極大提高。

  LIGO位置探測精確(左);LIGO和VIRGO的聯合探測精度(右)。(LIGO新聞發佈會)

  神奇的自旋門檻0.7?

  當筆者註意到這三個系統的自旋值大約都在0.7的時候,產生瞭極端的好奇感。難道0.7是個神奇的數字,這難道是合並黑洞跨越不過去的門檻?對於筆者領導的黑洞團組而言,通過電磁方式,專門從事黑洞性質的測量,尤其是利用X射線的數據對黑洞的自旋做出測量。從目前測量得到的10多個黑洞黑洞自旋數據來看,單個黑洞的自旋值隨機的分佈在0(沒有轉動)到1(極端轉動)之間。這似乎沒有規律。而這些系統也和引力波所發現的雙黑洞系統有差別,盡管都是雙星系統,電磁方式研究的系統中,其中一個是黑洞,另外一個是正常的恒星。對這些電磁系統黑洞的進一步統計調查,發現瞭一個很有趣的現象。如果雙星系統中恒星的質量比較大的時候(隻要不比太陽質量低),黑洞的自轉都很快,大約至少在0.8之上或者接近於最大值。

  對於目前引力波探測到的雙黑洞系統,那麼可以想象它們的前身星質量都很大(通常要形成黑洞的話至少要25個太陽質量)。所以我們可以想象它們各自在最後形成黑洞的時候,各自的自旋也都很大(這的確有很大猜測的成分在裡面,但是很遺憾的是,現有的引力波探測結果對於合並之前的自旋值很難限制)。盡管每個黑洞的自旋都有可能很大,那麼怎麼合並之後黑洞的自旋就會有這樣的限制呢?

  如果沒有相對論數值計算結果的幫助,的確我們沒有辦法回答。所幸的是,相對論數值計算在過去幾年的快速發展,讓我們對此問題有瞭比較清楚的認識。在對雙黑洞質量和自旋參數空間進行搜尋計算之後,發現即使黑洞的自旋達到極大值的時候,在兩個黑洞合並的過程當中,最終的自旋最大值就在0.7附近。這可以說是一個後驗的結果。簡單的解釋是,當黑洞的自旋值相對比較低的時候,黑洞會相對比較容易合並,最終產生的自旋也有可能並不是特別高。但是如果兩個黑洞的自旋都是很大的時候,它們就會經歷一個所謂的自旋持續(spin hangup)的過程,兩個黑洞很難合並,在這持續的過程當中,大量的能量以引力波的形式輻射出去,當整體能量降到一定程度的時候,黑洞合並瞭,這是就是我們看到的所謂黑洞自旋門檻值,大約0.7。我們可以大膽的猜測,說不定雙黑洞系統最後的自旋都差不多在這個最大值附近。

  恒星級黑洞的天文學研究現狀

  黑洞通常被認為恒星生命的終點,它是我們宇宙間最為神秘的天體之一。記得在星際穿越的電影當中,黑洞的中心存在著一個可以看到過去未來的超立方體。這或許僅僅是導演諾蘭的一個美好想象而已。不過在現實的世界中,物理學傢霍金反復在說,黑洞的中心是通往另外一個宇宙和時空的入口。著是否是真的,我們目前還無法驗證。因為黑洞內部的無法探測,所以對於黑洞的最深入研究還僅僅停留在黑洞的外部。

  在黑洞的研究當中,我們通常用三個量來定義一個黑洞,它們分別是:質量,自旋,和電荷。時常也稱之為三毛定律。也就意味著我們隻要知道瞭這三個量,我們就可以將不同的黑洞區分開來。對於天文中的黑洞而言,電荷很容易被電中性,所以隻有瞭質量和角動量,更為簡單一些。所以黑洞時常被稱之為宇宙間性質最為簡單的天體。對於物理學傢或者天文學傢而言,最終的目的就是測量黑洞的質量和角動量。

  目前探測到的黑洞分佈(摘自美國astronomy雜志2014年10月期)

  在引力波被探測到之前,人類一直是利用傳統的電磁方式來發現和研究黑洞。從400多年前利用光學望遠鏡開始探索我們的宇宙開始,在上個世紀又發現瞭光學之外的其它電磁方式(射電,X射線等),宇宙探索的步伐在不斷加快。自從第一個黑洞候選體天鵝座X-1在60年代初被發現,到目前為止,差不多已經半個世紀過去,但是我們發現並且確認的恒星級黑洞並不是特別多,總共隻有二十多個,而且幾乎絕大多數都是位於我們的銀河系當中。根據觀測和理論的聯合估計,僅僅在我們這個銀河系當中,恒星量級的黑洞的數目就至少有在1000萬個以上,因為黑洞本身沒有任何的電磁輻射(霍金輻射忽略不計),所以造成瞭黑洞觀測的困難性。

  隻有在黑洞周圍吸積盤產生比較明亮的輻射,或者黑洞產生非常強的噴流輻射的時候我們才能夠間接地探測到可能黑洞的存在。之後通過進一步的光學觀測,和通過大量的數據分析計算,我們才有可能測量到中心天體的質量,從而最終確定中心天體是否是黑洞(如果遠大於三個太陽質量,我們就可以確定的說是黑洞)。所以可以想象這其中的過程是非常的漫長和復雜。對於黑洞角動量的測量,又需要利用其他的波段(比如X波段)和獨立的方式去測量。還有一個非常重要的一點是,盡管目前確認瞭很多黑洞,但是還有一個非常重要的一點,我們還不能百分之百的確認那就是黑洞,隻有我們真正地探測到瞭理論當中黑洞的視界面的時候,才可以確認那就是黑洞。現有的電磁方式還有達到這個目標。不過已經在這個有人在朝著這個方向努力。麻省理工學院和一些其他大學的科學傢們開啟瞭一項叫做“視界望遠鏡(event horizon telescope)”的項目,利用分佈在全球的亞毫米望遠鏡,達到基線10000公裡,對黑洞的視界面直接成像,得到所謂的“黑洞影子”,從而最終確認黑洞在宇宙當中的存在。估計在2017年就可以得到第一批有關我們銀河系中心超大質量黑洞視界的圖像。

  引力波和多信使的研究時代來臨

  在電磁波的時代,最簡單的天體的研究也是非常耗時和復雜的。然而隨著引力波的探測的揭幕,黑洞的研究似乎變得異常簡單。

  首先引力波第一次直接真正地驗證瞭黑洞的存在。因為合並之時和之後,引力波的產生是黑洞視界面變化的效果,所以這直接驗證瞭黑洞在宇宙當中的存在。

  引力波同時也讓黑洞基本性質的研究變得更為簡便和有效。盡管引力波的探測和數據處理是非常的復雜,但是一旦引力波信號被合理的提取之後,通過一次的引力波探測,我們就可以知道有關黑洞的所有信息,質量和自旋。從這個意義上來講,引力波將極大的加速我們對於黑洞的研究和認識。

  對於黑洞系統而言,正如發言人所說,我們並不期待黑洞系統的合並能夠產生相對應的電磁輻射,所以引力波有可能是探測黑洞系統的最為有效的方式。但同時我們也知道,宇宙間有著很多其它的天體也能夠產生強烈的引力波,比如雙中子星合並。對於這些天體,我們就可以利用多信使的方式進行研究。多信使意味著利用不同的手段,比如可以利用引力波,電磁波(各個波段,從伽馬光子一直射電),中微子等方式同時對這些系統進行研究,從而得到一個整體的圖像和理解。

  從之前的介紹知道,我們目前在電磁波段僅僅確認瞭數目極少的黑洞,剩餘的絕大多數的黑洞在哪裡?我們現在還不知道。或許是孤寂的存在於星系中,或許是和恒星在一起,隻是不夠明亮,沒有被我們發現。或許也是以雙黑洞的形式從在。多信使的手段或許能夠告訴我們答案。

  多信使的研究手段或許在宇宙學方面做出一些貢獻。比如引力波可以直接測得系統的距離,而電磁方式的光譜如果能夠給出紅移,在我們獲知一些這樣的系統之後,那麼我們就可以對宇宙的膨脹速度(也就是著名的哈勃常數)做出校準,從而間接的對宇宙的神秘物質暗能量也提供限制。

  中國引力波研究現狀

  在引力波被宣佈正式探測之前,引力波研究可以說是一個不溫不火的研究狀態。但是隨著LIGO探測的發現。中國的引力波研究也隨之進入一股前所未有的熱潮。在理論研究的同時,中國也在積極地推動直接探測引力波的望遠鏡項目。目前,兩個空間項目(太極計劃和天琴計劃)正在努力各自推進,而地面探測原初引力波的阿裡計劃也在積極籌備,估計不久將會開始建設。除此之外,還有準備利用即將建好的五百米射電望遠鏡(FAST)和正在建設的平方公裡陣(SKA),用脈沖星計時陣的方式來探測引力波。而且這些中國未來的項目中也存在著一些極具影響力的機會。

  多信使方式是科研的未來。中國的一些設備也加入瞭和LIGO科學組織進行聯合觀測的合作當中。目前目前已經和幾十和望遠鏡簽訂瞭合作關系,準備一旦有引力波事件,這些相對應的望遠鏡就可以在對應的方向上對電磁對應體進行搜尋。國傢天文臺作為中國最大的天文研究機構,具有快速反應和大視場的地面光學系統GWAC已經加入其中,以及2020年有可能發射的愛因斯坦探針X射線衛星也在其中。

  盡管中國起步晚瞭,但是在這剛剛開始拓荒的領域,相信隨著我們的努力和堅持,我們會在這個廣袤的宇宙中開墾出一片天地。

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