北京时间2017年5月31日深夜, LIGO和Virgo科学合作组织举行了一次内部媒体发布会, 确认了第三次引力波事件。LIGO发言人麻省理工学院教授大卫•舒梅克首先宣布aLIGO发现了来自两个黑洞并合的新引力波事件GW170104, 以及本次新发现引力波事件的基本特征。
图片来自LIGO官网。
于2015年首次直接探测到双黑洞并合的引力波事件GW150914之后, 紧接着于同年的12月又一次探测到新的双黑洞引力波事件GW151226。这两次探测共同验证了广义相对论预言引力波存在的正确性, 并证实了宇宙中的确存在能在宇宙学年龄内并合的双黑洞系统。此次探测到的引力波事件GW170104是继前两次探测之后, aLIGO又经过改进后探测到的不同质量的双黑洞并合事件, 相关的结果发表在近期的Physical Review Letter 期刊上[1]。此次探测不仅为已观测到的双黑洞“家族“增添了新的成员, 还拓展了人类观测宇宙的范围(此次引力波源相距地球30亿光年)。
与前两次探测相比, 本次探测具有更深远的物理意义。主要表现在以下几方面:本次观测是从aLIGO经新一轮性能提升后采集的数据(官方称为O2轮数据)
中发现了该引力波信号。位于华盛顿州Hanford和路易斯安娜州Livingston的两台探测器在2017年1月4日同时记录到了这一信号。由于此次的数据质量较好, 系统灵敏度更高, 因此在O2轮数据开始运行不久就捕获到了来自如此遥远距离的引力波信号。
图1 aLIGO第二轮数据采集时间表。图片版权: LIGO科学合作团队。
第一次观测到双黑洞自旋正方向可以与相互旋转轨道的角动量方向不一致。这一结果可以用来区分双黑洞的起源模型。从此次观测结果来看, 双黑洞很可能形成于致密的恒星簇中。另外,广义相对论预言黑洞自旋会对波形演化产生至关重要的影响。因此, 通过观测引力波波形进一步对黑洞自旋进行限制将有助于我们理解和检验广义相对论的动力学预言。
图2 黑洞自旋与双黑洞轨道角动量示意图。图片版权: LIGO科学合作团队。
图3 双黑洞环绕、自旋、轨道进动与引力波辐射。图片版权: LIGO科学合作团队。
根据广义相对论预言,引力波不存在色散现象。由于GW170104从较远的双黑洞系统传播到地球, 这将更利于我们测试引力波是否存在色散。结合前两次探测到的引力波, 这次对色散因子的上限给出了更严格的限制。目前的结果与广义相对论预言的零色散非常吻合。
引力波科学合作组织仍在不断拓展其探测网络,同时继续进行着系统升级。相信在不久的将来人类能探测到更多的引力波信号。这不仅为验证广义相对论提供更多的实例, 还将大大提高人类对宇宙的复合观测能力。
我们期待在aLIGO公布的6个触发信号中发现更多有趣的问题。
李瑾, 重庆大学物理学院副教授(硕士生导师), 中国引力与相对论天体物理学会会员、LIGO科学合作组清华团队成员。
2008年－2010年期间在LIGO科学团队Ringdown小组中从事数据分析工作, 2010年获得博士学位。曾获得中国国家自然科学基金资助。目前的主要研究领域有: 引力波探测的数据处理、黑洞引力扰动下的引力似正规模辐射。
范锡龙, 物理学博士。湖北第二师范学院副教授, LIGO科学合作组清华团队成员。曾获得中国国家自然科学基金资助。主要研究领域: 引力波天文学, 引力波数据处理。
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