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[UFO探索]合并黑洞第一声

几十年来,科学家一直希望能够通过检测引力波来“收听”猛烈的天体物理学事件。引力波的存在是爱因斯坦于1916年预言的,可以被描述为时空几何体中的振荡扭曲,但在之前它们从来没有被直接检测到过。现在,在一篇优秀的论文中,科学家向我们讲述了他们在激光干涉仪引力波天文台(LIGO)检测到引力波的经过。他们的发现为宇宙中双黑洞系统可以存在与合并的观点提供了第一条观测证据。

移动的质量可以产生引力波,引力波与电磁波相似,也以光速传播。在传播的过程中,引力波会在与传播方向垂直的平面上将时空压缩或拉伸。然而,因为它们造成的这种扭曲非常小,想要检测到是极度困难的:即使是天体物理学事件产生的最强引力波,也只能导致10-21数量级上的长度变化。

升级版LIGO包括两个检测器,每个检测器都是一个迈克尔逊干涉仪,由两条长达4千米的光学共振腔组成。干涉仪的设计保证了在没有引力波信号的时候,从两条臂中穿过的激光到达光电探测器时的相位正好相差180°,因此不会产生信号。引力波沿着与检测器平面垂直的方向传播,会破坏这种完美的相消干涉。在它的第一个半周期,引力波会延长一个臂而缩短另一个臂;在第二个半周期,这种变化就会反过来。这种长度变化会导致激光束之间的相位差异,使光能信号到达光电探测器。用两台这样的干涉仪,LIGO就可以排除只在一台检测器上出现的杂散信号(例如当地的地震波)。

LIGO的灵敏度十分卓越:它可以检测到两个臂长之间小于一个原子核直径的长度变化。LIGO的最大挑战是检测器的噪音,主要有地震波、热运动和光子散粒噪声。这些干扰可以轻易遮蔽掉引力波产生的微弱信号。2015年完成的升级把检测器在100赫兹至300赫兹的灵敏度提高了3倍至5倍,在60赫兹以下的灵敏度则提高了10倍以上。这些改善加强了检测器对更远处的信号源的灵敏度,这对探测到引力波至关重要。

2015年9月14日, 在升级版LIGO开始运转的头2天之内,研究人员检测到了一个强到可以直接用肉眼看到的信号。这个被编号为GW150914的信号的最强阶段持续了0.2秒,并且,两地的检测器都捕捉到了这个信号,联合信噪比是24。凑巧的是,这一天离爱因斯坦发表广义相对论100周年纪念日还剩下不到两个月。

就在几十年前,人们一直认为检测到引力波是一项不可能完成的任务。20世纪50年代,物理学家仍在就引力波到底是不是物理实体、能不能携带能量展开激烈的争论。这场争论的转折点是1957年在北卡罗来纳州教堂山举行的会议。在那次会议上,理论物理学家菲利克斯·皮拉尼指出,牛顿第二定律和测地线方程之间存在着联系,后者在广义相对论框架下描述了潮汐力的作用。皮拉尼说,因为存在这个联系,引力波中相邻粒子的相对加速可以为观测引力波提供一个物理学上有意义并且可行的方式。遗憾的是,这位为我们现在思考和检测引力波方式奠定基础的科学家于LIGO的科学家宣布探测到引力波之前数周(即2015年12月31日)去世。

其他参会的杰出科学家包括约瑟夫·韦伯、理查德·费曼、赫尔曼·邦迪,都对皮拉尼的想法的发展发挥了作用,尤其是费曼和邦迪,他们将皮拉尼的观测发展成著名的“黏性珠子”思维实验。他们认为,如果珠子在引力波作用下沿着一根有黏性的棒子加速,那么它们一定会通过摩擦向棒子传递热量。这种热量传递就证明引力波一定是携带能量的,因此,从原则上来讲,引力波是可以检测到的。

着手这类实验的兴趣并没有立即产生。1964年,皮拉尼在一次关于引力辐射的学术报告上指出,韦伯认为有意义的实验室实验“在几个数量级上都不可能”。与此同时,威廉·福勒(未来的诺贝尔奖得主)提出了所谓大型双类星体(也就是我们称为黑洞双体的)放射出的很大一部分能量都是引力波辐射的观点。然而,皮拉尼认为,对证明一个相应的理论来说,进行引力波直接观测既不是必要条件也不是充分条件。他认为,如果物理学家搞不明白该怎样量化引力,这种理论就“跟物理学没多大关系”。

真正在这个领域里起到刺激作用的,是韦伯在1969年发表的一篇论文。在这篇论文中,韦伯称自己用一个共振棒状检测器检测到了引力波。这一发现引发了争议,因为物理学家无法复制他的实验结果。到20世纪70年代中期,大多数人都认为韦伯很可能是错的。然而,几年之后,麻省理工学院的年轻教授雷纳·韦斯在准备相对论的课程材料时,看到了皮拉尼有关检测引力波的提议—使用光信号捕捉相邻粒子在波信号通过时产生的位置变化。他将这一方法做了一处关键性改动,于是LIGO应运而生:与其对短光脉冲进行计时,不如在迈克尔逊干涉仪中对相位进行测量。

现在,曾经一度被认为“在几个数量级上都不可能”的事成为现实。为了证实信号的本质是引力波,研究者使用了两套不同的数据分析方法。第一种方法是确定光电探测器捕捉到的额外能量是不是信号造成的,而不去考虑信号自身的来源。从这一分析中,他们确证这一转瞬即逝的未建模信号的观测统计显著性大于4.6个标准差。第二种方法将设备输出(信号加噪音)与利用广义相对论计算出的黑洞合并信号做比较。通过匹配过滤的方法,研究者证实观测信号的统计显著性大于5.1个标准差。

最激动人心的结论来自对观测信号的振幅和相位与数字模拟中相对论预测的比较,后者能够帮助研究者估计描述引力波源的参数。这次检测到的引力波的波形与一类双黑洞系统相吻合,此系统中两个黑洞的质量分别为太阳质量的36倍和29倍。这一类恒星质量黑洞是我们已观测到的同类型天体中最大的一种。另外,除了黑洞之外,没有哪一种双天体系统具有足够大的质量以产生观测到的信号。(最可信的竞争者是双中子星,或者一个中子星与一个黑洞。)研究人员估算,这一双天体系统距离地球13亿光年,其能量的大约4.6%以引力波的形式放射;合并后的黑洞的质量相当于62个太阳质量,无因次旋转为0.67。

利用这个信号,研究人员进行了两项广义相对论的相容性测试,给引力子—介导引力的假设粒子—加上了一个质量边界。在第一项测试中,他们使用广义相对论,从信号的早期内旋片段和内旋后片段分别推算出残留黑洞的质量和自旋,得到了相似的值。第二项测试用来分析两个黑洞在向内螺旋运动相互靠近时产生的波相位。这个相位可以写成v/c的级数展开,其中v代表旋转中的黑洞的速度,他们证实这项展开的系数与广义相对论的预测相符合。通过假定具有质量的引力子可以更改波相位,他们给定了引力子质量的上限:1.2×10-22eV/c2,精确了我们通过太阳系和双脉冲星观测得到的测量结果。

 

LIGO的两台干涉仪在2015年9月14日检测到了相似的信号。上面两张图是在汉福德(上左)和利文斯顿(上右)检测到的信号,下面两张图显示的是数字模拟中两个黑洞合并产生的信号。

在物理学中,我们为LIGO的发现感到欢欣鼓舞,但更好的发现还有待未来。就像基普·索恩最近在BBC采访中说的那样,首次记录到引力波从来不是LIGO的主要目标,他们的动力一直来自对打开通往宇宙的新窗口的向往。

引力波检测会让我们对天体物理来源拥有新的、更准确的测量,比如两个正在融合的黑洞的旋转方式,以及它们的形成机制。虽然升级版的LIGO无法精确测量这些旋转的量级,但更好的信号模型、更好的数据分析技术、更灵敏的检测器,能够让这种测量得以实现。一旦升级版的LIGO能够实现设计灵敏度,就可以检测比GW150914的信噪比高3倍的双天体系统。这些信噪比更高的信号能够用来更精确地确定信号源的参数,比如质量和自旋。

即将完成的地球检测网络,包括升级版的VIRGO、日本的KAGRA、可能会落地印度的第三台LIGO,可以帮助科学家确定天空中信号的来源,告诉我们该把“传统”的收集电磁辐射或中微子的望远镜指向哪里。将这些观测工具结合起来,会形成研究领域的新基础,即“多信使天文学”。很快,“探路者”号实验飞船上搭载的欧空局的引力波探测器“激光干涉仪空间天线”(eLISA)会传回第一批数据。与地面上的探测器相比,eLISA能够使我们凝视宇宙更深处,使对更大质量黑洞形成的机制和宇宙距离的引力场行为的研究成为可能。

现在,我们正在走进引力波天文学的新时代:有了这种新的观测工具,就像拥有了视觉之后,我们又拥有了听觉。升级版的LIGO检测到的第一个信号来自两个黑洞的合并,这具有重大意义。这些天体是我们用电磁辐射无法观测到的。在不久的将来,引力波天文学对天体物理学产生的影响会令人眼花缭乱。多项检测结果可以让我们研究宇宙中多久会发生一次黑洞合并,并对描述双天体系统形成的天体物理学模型进行测试。对强信号的检测同样可以使物理学家测试所谓的无属性定理,即黑洞的结构和动力学仅仅由其质量和自旋决定。观测来自黑洞的引力波或许还能向我们揭示引力的本质。

在黑洞周围引力场特别强的地方,引力作用真的像爱因斯坦预测的那样吗?如果我们修改爱因斯坦的引力论,可以解释暗物质和宇宙的加速膨胀吗?现在,我们才刚刚开始回答这些问题。