LIGO第三次檢測到引力波

激光干涉引力波天文台(LIGO)第三次檢測到了引力波，時空上的漣漪，證實天文學上的新窗戶已經被牢牢打開了。正如前兩次的檢測，這次檢測到的引力波也是由兩個黑洞碰撞形成一個更大黑洞引起的。

新發現的黑洞是通過融合形成的，質量約為太陽的49倍，填補了LIGO前面檢測的兩個融合黑洞之間的空白。先前檢測的兩個分別為62倍太陽質量(第一次)和21倍太陽質量(第二次)。

新當選的LIGO科學合作發言人、麻省理工學院的David Shoemaker說道：「我們進一步確認了超過20太陽質量的黑洞的存在，在LIGO檢測到之前我們並不知道這一點。這是一項非凡的成果，人類終於能書寫發生在數十億年前和數十億光年遠的奇異極端事件歷史，並進行測試。整個LIGO和Virgo科學合作團隊一起努力，終於實現了。」

老圖再利用。credit: 煎蛋畫師ZZCW

這一新檢測發生於LIGO始於去年11月30日的正在進行的觀測活動期間，該觀測還將持續整個夏天。LIGO是一個成員來自全球各地的國際合作組織。其觀測是由雙子檢測器執行的，一個在華盛頓漢福德，另一個在路易斯安那州利文斯頓，由加州理工學院和麻省理工學院運作，受到國家自然基金贊助。

2015年，自從經歷了名為先進LIGO的重大升級項目後，在第一次觀測運營期間就在9月首次直接觀測到了引力波，同年12月又第二次觀測到了。第三次檢測，被稱為GW170104，是在今年1月4日實現的，已發表在近期的物理評論快報上。

在所有三次檢測中，LIGO的兩個檢測器都檢測到了黑洞對融合產生的引力波。這種碰撞產生的能量比宇宙中任何恆星和星系在任何時刻以光形式放射的都要多。最近的這次檢測似乎是至今為止最遠的，有30億光年遠(第一次和第二次的分別是13億和14億光年遠)。

最近的這次觀測還為黑洞自轉方向提供了線索。一對黑洞在相互環繞運行的同時，還會繞自己的軸線自轉。有時候黑洞自轉的方向與該系統整體運轉軌道方向一致，天文學家將其稱為對齊旋轉，而有時候則會按照相反的方向自轉。此外，黑洞也可能傾斜於軌道平面。本質上，黑洞可能以任意方向自轉。

新的LIGO數據無法確定觀察到的黑洞是否傾斜，但暗示著至少一個黑洞可能並未對齊整體軌道運動。要對雙黑洞系統自轉方向做出確定性結論還需要更多的觀測，但目前的數據也能提供這一對黑洞如何形成的線索。

賓夕法尼亞州立大學和卡迪夫大學的Bangalore Sathyaprakash 說道：「這是我們首次有黑洞可能沒有對齊的證據，暗示了雙黑洞可能是在稠密星團中形成的。」

關於雙黑洞系統的形成，主要有兩種解釋模型。第一種模型提出兩個黑洞是一起誕生的：雙星系統中兩個恆星均爆發，由於原來兩個恆星一起運轉，因此形成的黑洞也會保持這種狀態。

兩種解釋模型中，第一種是兩個黑洞是青梅竹馬。credit: 123RF

在另一種模型中，黑洞是後來才走到一起的。當黑洞沉入星團中心後，兩個黑洞才配對的。在此情形下，黑洞可能以相對於它們的軌道運動的任意方向自轉。由於LIGO發現的某些證據表明GW170104黑洞是未對齊的，因此稍微支持這種稠密星團理論。

兩種解釋模型中，另一種是兩個黑洞是後天撮合到一起的。credit: 123RF, 圖庫兩個相片合成而來

加州理工學院的Keita Kawabe說道：「我們開始收集雙黑洞系統的統計數據。這很有意思，因為某些關於雙黑洞形成的模型相比其餘受到的支持更多，未來我們可以縮小範圍。」

該研究還再次測試了愛因斯坦的理論。例如，研究者尋找一種名為色散的效應，當物理介質中的光波由於波長不同而傳播速度不同時就會產生。愛因斯坦的廣義相對論禁止了引力波從源頭傳播到地球過程中的色散。LIGO也沒有發現任何這種效應的證據。

喬治亞理工學院的Laura Cadonati說道：「看起來即使是在這一兩倍於第一次檢測距離的新事件中愛因斯坦也是正確的。我們沒有發現任何偏離廣義相對論之處，這一遠距離使得我們對此表述也更有信心了。」

Virgo發言人、荷蘭國家亞原子物理研究所物理學家、阿姆斯特丹自由大學教授Jo van den Brand說明：「LIGO儀器已經達到了驚人的靈敏度。我們期望今天夏天能擴張檢測器網路，幫助我們更好地定位信號。」

LIGO-Virgo團隊仍在繼續搜尋最近來自宇宙深處的時空漣漪信號的LIGO數據。他們還在為LIGO的下次運行進行技術升級。下次計劃運行將始於2018年末，在此之前檢測器的靈敏度將再次提升。

LIGO實驗室執行主任、加州理工學院的David Reitze說道：「隨著第三次確實檢測到兩個碰撞黑洞產生的引力波，LIGO確定了自身作為揭露宇宙黑暗面的強力天文台的地位。儘管LIGO是專門適用於觀測這種類型事件的，我們希望不久之後也能觀測其他類型的天體物理事件，比如兩顆中子星的激烈碰撞。」

論文原文：DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.221101

本文譯自 phys，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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