第三次捕捉引力波事件 迄今為止最遠的引力波

2017年6月1日，美國LIGO合作組織通過官網宣布，他們剛剛確認發現第三次引力波事件，這次是來自遙遠的30億光年以外的兩個恆星級黑洞併合。

產生GW170104引力波的雙黑洞併合藝術畫（來源：LSC，版權：LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)）

自從宣布了2014年9月14日和2015年12月26日的兩次引力波之後，天文學界幾乎毫不懷疑還能發現更多的引力波事件，我們所要做的就是靜靜等待。經過一段時間的調整後，2016年9月激光干涉引力波天文台（LIGO）開啟了第二階段，靈敏度進一步提升，果然沒過多久，引力波又進入了它的視線。

LIGO兩台儀器探測到的引力波信號（來源：LSC）

這次的引力波事件編號為GW170104，意思是世界協調時2017年1月4日發現的，更確切的時間是10:11:58.6UTC（北京時間1月4日18:11:58）。跟前兩次一樣，兩台巨大的探測器前後探測到在不到0.3秒的時間裡，震動猛然提升到將近200Hz，儀器發出預警，天文學家相信我們又一次發現了引力波。雖然探測臂的變化範圍依然在極其微弱的5×10^-22，但置信度高達99.997%，相當於7萬年一次的誤警率，從概率上可以將是確認無誤的。根據計算機模擬，天文學家推測這次事件依然來自於兩個恆星級黑洞的合并，一個約為31.2個太陽質量（M⊙），另一個約為19.4個太陽質量（M⊙），併合後形成總質量約為48.7個太陽質量的黑洞，釋放出相當於2個太陽的能量，以引力波的方式向外輻射。這個質量正好介於前兩次引力波事件之中（第一次雙黑洞總質量為62M⊙，第二次總質量為21M⊙），有力地證明20M⊙以上大質量恆星形成的黑洞確實存在。

三次引力波確認事件（藍色實線GW150914、GW151226、GW170104）和一次引力波疑似事件（藍色虛線LVT151012）中雙黑洞系統的質量即併合後的黑洞質量對比（來源：LSC）

同時，天文學家還推算出GW170104事件的距離遠在28億光年（紅移值z=2.1，哈勃常數取67.9 km/s/Mpc）以外！這是迄今發現的最遠的引力波（第一次13億光年，第二次14億光年）。28億年前，想想那時候的地球，生命形態才剛剛開始從單細胞生物向多細胞生物演化。兩顆大質量恆星僅僅幾百萬年就走完了短暫一生，成為了黑洞，然而它們不知要經歷多少億年才能碰撞到一起，由此推測這兩顆恆星可能是在幾十億甚至將近一百億年前形成的！

GW170104的主要參數（來源：LSC）

這次還獲得了一項新的觀測發現——這兩個黑洞似乎有著相反的自旋方向（至少是不同的）。這是非常有意思的事情。雙黑洞系統中單個黑洞的自旋方向如果與兩者相互繞轉的方向一致，這種想像叫平行自旋。通常認為，一對雙星如果是同時形成的，那麼它們就應該符合平行自旋的特點。而黑洞的自旋方向會從其前身恆星那兒繼承下來，也就是說原來的大質量恆星是往哪個方向旋轉，它死亡後形成的黑洞也是往哪個方向旋轉。那麼如果這對雙黑洞自選方向相反的話，就說明它們可能不是同時形成的雙星，而且來自一個稠密的星團。引力波的這項發現對星團的演化模型也有著非常重要的意義。

GW170104藝術想像畫，與前兩次不同，圖中考慮了兩個黑洞自旋角度之間的差異。（來源：LSC，版權：LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)）

關於GW170104的信息圖（來源：LSC，編譯：水兄）

第一次引力波事件和第二次引力波事件之間相隔了468天，第二次與第三次相隔了375天，一方面表明宇宙中的恆星級雙黑洞系統比我們想像的更多，另一方面，讓我們對未來LIGO的工作效率充滿期待。LIGO合作組織推算，在每立方吉秒差距（1Gpc≈32.62億光年）的空間內，雙黑洞合并（單體質量≥5M⊙，總質量≤100M⊙）的發生率為每年12-213次。

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