黑洞合并产生引力波

据外媒北京时间9月29日报道，天文学家称，他们又一次检测到了引力波信号——穿越宇宙的时空涟漪。这是美国激光干涉引力波天文台(LIGO)第四次检测到这一现象。

去年初，LIGO设施首次检测到了引力波信号，创造了历史。尽管现在检测引力波信号似乎已经成为常态，但是这次最新发现仍有独特之处，因为它还被另外一个非LIGO天文台检测到。

LIGO由美国国家科学基金会出资建立，分别在华盛顿州和路易斯安那州建立了两个专门用于检测引力波的天文台。但是，意大利还有一个由欧洲运营的天文台Virgo，它几乎与LIGO设施一模一样。今年8月14日，在LIGO检测到引力波的同时，Virgo也首次检测到了引力波信号。这个信号来自10亿光年外两个黑洞的猛烈合并。此前侦测到的所有引力波信号也都源自黑洞的合并，但是这是首次有三个天文台同时检测到黑洞的合并。有关这次发现的论文将在《物理评论快报》上发表。

提高信号来源精度

三个天文台同时检测到引力波信号，对于人类更好的理解信号来源至关重要。借助三个天文台检测的信号，科学家们现在可以通过引力波信号穿过每个天文台的时间，更精确地推算出它的位置。这就好比对地球上任何事物进行定位需要三个GPS卫星一样。“这一次的定位精度要远胜于以往，”Virgo发言人乔· 范登布兰德(Jo van den Brand)表示。

引力波来源的定位对于后续观测至关重要。现在，一旦引力波被检测到，使用传统光学或射电望远镜的科学家将知道把他们的观测设备指向天空的哪个方向。由于这些引力波信号来自黑洞，所以不会产生任何光，因此后续观测并未揭示任何结果。但是，如果LIGO与Virgo有朝一日碰巧检测到了来自恒星合并产生的引力波信号，那么其他天文学家可能就能使用其它望远镜发现引力波的来源。

Virgo天文台

美国宾夕法尼亚州立大学和卡迪夫大学物理学家班加罗尔·萨亚普罗卡什(Bangalore Sathyaprakash)称：“这真的为我们的同事指明了一个新方向”。萨亚普罗卡什参与了LIGO项目。对于引力波检测领域来说，进入这一新阶段是一次巨大飞跃，尤其是考虑到直到去年2月份人类才首次发现引力波，这一现象是爱因斯坦广义相对论中最后一个尚未被证明的重要部分。20世纪初，爱因斯坦提出的广义相对论颠覆了所有人对于物理学的构想，把空间和时间统称为“时空”。爱因斯坦称，物体——从行星到人——都会造成其周围时空的扭曲。当这些物体移动时，它们就会产生时空中的“涟漪”，就像一艘移动的船只会在湖面产生涟漪一样，这就是所谓的引力波。

然而，检测到这些引力波是一个极其困难的过程。例如，一个人移动产生的涟漪实在太小，以至于无法在地球上检测到。这就是科学家建立LIGO和Virgo天文台的原因，后者能够收集数百万光年外巨大星体快速移动产生的巨大波动。这些设施将寻找黑洞或中子星之间进行的激烈合并。当这些星体合并时，它们会以极高速度相互绕转，一秒内可以绕上好几次，最终合并为一个质量更大的天体。这一过程将产生极为强烈的引力波信号，以光速向四面八方扩散。

这些引力波在向地球扩散过程中快速衰减，只能被最为精密的仪器侦测到。这时候，LIGO和Virgo天文台就会派上用场。每个设施的外形都像字幕“L”一样，拥有两条长长的真空密封隧道，两端放置了悬浮反射镜。在两道隧道的交汇处，一台分体激光器分别向两个镜面发射激光。当引力波通过时，时空就会发生扭曲，激光的传播距离就会出现轻微差异。科学家可以通过确定激光到达每个反光镜的时间来检测引力波的移动。激光路径的变化非常微小：不到一个质子宽度的千分之一。

8月25日，LIGO完成了从2016年11月30日开始的最新一轮观测周期，至少检测到了三次引力波。精度略低于LIGO的Virgo观测周期从8月1日开始，获得了足够的时间检测到8月14日的这次黑洞合并。这两个黑洞的质量分别是太阳质量的31倍、25倍，在距离地球18亿光年之外的宇宙深处相互绕转。最终，这两个黑洞合并为一个质量为太阳53倍的黑洞。

这些黑洞极其庞大，远超LIGO科学家在开始寻找引力波时的预期。不过，这是第三次当侦测到黑洞合并时，黑洞的质量远超科学家预期。“这看起来非常普遍，”萨亚普罗卡什表示，“用不了多久，我们就能确定出这种事件发生的概率。”

三个天文台同时检测到引力波信号所能确定的黑洞位置精度，要比两个LIGO天文台检测确定的位置高出20多倍。而且，这不但提高了信号位置的精度，还能让科学家们更好地了解引力波。三个天文台将有助于科学家更为精确地检测引力波在传播时延伸和压缩的角度。这些移动将会让科学家深入了解产生引力波信号的天体，例如，当它们在相互绕转时，其转动平面与地球观测视线之间的角度。

现在，在检测到四次黑洞合并后，天文学界正急于知道LIGO是否能检测到中子星的合并，或者中子星与黑洞合并。但是目前，LIGO科学家还保持沉默。“我们会在适当时候讨论这一话题，”萨亚普罗卡什称，他指出，科学家们依旧在评估他们收集的数据。

目前，三个天文台全都暂停了观测任务。在此期间，Virgo和LIGO科学家将努力让他们的检测变得更为精准。Virgo和LIGO将在2018年秋天恢复工作。一旦它们恢复观测，天文学家们希望它们能够检测到更多引力波。“在精度获得进一步提升后，我认为我们每年将能够检测到数十次这样的事件，”萨亚普罗卡什表示，“这将是一个令人激动的时代。”(编译/箫雨)