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即将退休,人生开始一个新的阶段。应该到做总结的时候了。虽然身体还行吧,说不定那天就“米了”(柳州俚语即“死了”)。因此,在余下的时光,再赶回新潮,写写博,心得体会,经验教训和人生感悟,都是可以写的。想想也是一件乐事。

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官方:LIGO直接探测到双黑洞合并产生的引力波  

2016-02-13 22:57:02|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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2016-02-12 10:3球网
爱因斯坦在一个世纪之前提出了广义相对论,著名的物理学家波恩将此称为是“人类思考自然的最伟大壮举”。此次发布会上,LIGO项目的科学家们主要报告了在与广义相对论有关联两个方面取得的进展:首次直接探测到引力波,以及首次观测到两个黑洞的碰撞与合并。这一灾难性事件产生了被标记为“GW150914”的引力波信号,该标记非常简单明了:意思是“2015年9月14日探测到的引力波信号”
这一事件发生在一处遥远的星系,距离地球大约13亿光年。2015年9月14日这一天,两座分别设在美国华盛顿州和路易斯安那州的激光干涉引力波观测台(LIGO)设施分别检测到了这一事件产生的引力波信号。经过升级之后的LIGO设施被认为是目前世界上引力波探测领域灵敏度最高的科学设施之一。根据LIGO取得的数据估算,科学家们认为在这一黑洞合并事件的最后时刻,其产生的最强烈引力波释放的能量瞬间几乎相当于整个可观测宇宙中所有恒星释放能量总和的10倍。这项重大发现标志着天文学领域一个令人兴奋的崭新时代的开端,就在今夜,我们开启了一扇通往引力波宇宙学观测的大门。
基本背景信息
引力波是时空的涟漪,它是由宇宙中的一些最为剧烈的事件产生的,如大质量致密天体的碰撞或合并事件。引力波的存在早在1916年便已经由爱因斯坦预言,当时爱因斯坦证明了加速下的大质量物体将会扭曲时空,并产生从该源头发出的时空涟漪。这种“涟漪”将以光速穿过宇宙,携带着关于产生它们的那次灾难性事件和引力本质的珍贵信息。
在过去的数十年间,天文学家们已经找到大量证据证明引力波的存在,主要手段是通过引力波对银河系中近距离绕转天体运动产生的影响所开展的相关研究。这些间接研究的结果与爱因斯坦在100年 前的预言吻合度相当好,如在考虑引力波带走能量的情况之后,这类天体轨道的衰减过程完全符合爱因斯坦理论的计算结果。然而,从地球上直接探测引力波的信号 尽管长期以来广受科学界期待,但却一直未能实现突破。之所以科学家们如此期待这项突破,是因为这将提供对于爱因斯坦广义相对论新的,且更为直接的检验,并 开启人类研究宇宙的全新大门。
就在爱因斯坦预言引力波存在的同一年,另一位德国物理学家卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild) 意识到爱因斯坦的理论将允许黑洞的存在:这是一种奇异的天体,它的密度极高,引力极大,甚至连光线都将无法逃离它的束缚。尽管严格意义上来说我们并不能直 接“看”到来自黑洞的光,但天文学家们早已通过对黑洞施加于其周围空间与天体的特殊效应,收集到了关于黑洞存在的大量有力证据。比如说,目前天文学家们认 为在大部分成熟的星系,包括我们银河系的核心都存在着超大质量黑洞,其质量可以达到太阳质量的数百万倍乃至数十亿倍。另外同样有证据显示很多质量比这小得 多的黑洞候选体(质量在数个至数十倍太阳质量之间)可能是大质量恒星死亡之后,在经历超新星爆发过程后留下的残余体。
除了在对黑洞间接观测方面取得的重要进展之外,我们对于黑洞这种奇异天体的理论理解也已经大大深入。比如说在过去的十年间,科学家们在双黑洞乃至黑洞合并模 型研究方面就已经取得了重要的进展。这些计算机模型让科学家们得以构建精确的引力波形,也就是随着黑洞之间相互接近并最终合并的过程中,其释放出的引力波 波形特征。因此,对于双黑洞合并过程的直接观测将提供一个精确检验爱因斯坦广义相对论这项预言的理想的宇宙实验室。
LIGO观测台
LIGO(激光干涉引力波观测台)是世界上规模最大的引力波观测实验室,同时也是世界上复杂程度最高的物理学实验室之一。它由两座大型激光干涉实验设施组成,两者相距数千公里,分别位于美国路易斯安那州的列文斯顿和华盛顿州的汉福德。LIGO利用光和空间所具有的基本特性开展引力波的探测工作。这一探测原理最早是在上世纪60~70年代提出来的。在2000年前后世界上先后建成多座引力波干涉仪探测设施,如日本的TAMA300、德国的GEO600、美国的LIGO和意大利的Virgo等等。在2002年至2011年间,这些探测设施进行了联合观测,但最终没有取得有价值的探测结果。而在经过大规模技术升级之后,2015年LIGO设施再次开始运行,这将是一个技术复杂程度高得多的全新全球性引力波观测网络中投入运行的第一台设施。
类似LIGO这样的干涉仪设施一般都会包括两条长长的“臂”(LIGO两条伸出的臂各长4公 里)且互相呈直角分布,在臂的一端设有反光镜,将一束激光在其内部来回反射。因为分别位于两臂内的激光束的频率和波长等特征是完全一致的,因此当两条光线 叠加时不会出现干涉条纹;而如果有引力波通过实验设施,它会导致空间本身发生拉伸或压缩,从而导致两条互相垂直的臂的长度出现差异。这样一来在其中运行的 两束激光束便不再“同相”,于是在叠加时就会出现干涉条纹。这就是为何我们将LIGO为代表的这类实验设施称为“干涉仪”的原因。
引力波导致的空间拉伸或压缩程度与引力波本身的强度直接相关,这种空间变形通常都非常非常小。对于我们能够探测到的典型引力波信号,空间的变形幅度大约相当于一颗质子直径的万分之一不到。但LIGO实验室具有惊人的高灵敏度,它能够检测到这种程度的空间变形!
不过,为了能够顺利探测到类似GW150914这样的引力波信号,LIGO探测器除了必须具有惊人的高灵敏度之外,还必须能够有能力将真实的引力波信号从大量噪音信号中区分出来。这样的噪音信号有千千万万:比如由于环境变化或设备因素产生的微小扰动,这类信号很容易将科学家们苦苦寻找的真实引力波信号遮蔽掉。这也是为何LIGO会 选择在两个相距遥远的不同位置分别建立两套完全一样的观测设施的原因,因为这将让我们能够排除本地仪器故障或环境因素导致的干扰信号,因为只有真正的引力 波信号才会同时在两处探测设施中同时出现。当然严格来说可能会间隔千分之几秒,因为还要考虑引力波从一处设施传播到另一处设施所需要的时间。
另外,采用至少两个站点的理由还有很重要的一点:当引力波探测网络中包含了两台或更多探测站点之后,我们就将能够与信号源之间构成一个三角形,从而锁定发射源在天空中的位置。观测网络中参与进来的观测站点越多,信号源在天空中的位置就能被更为精确地测定。在2016年,意大利的先进“Virgo”探测器也将加入这一观测网络,而未来还将有更多的此类观测站点参与进来。
此次LIGO的观测结果和意义
在2015年9月14日格林尼治时间09:50:45(北京时间17:50:45),位于美国华盛顿州汉福德和路易斯安那州列文斯顿的LIGO探测设施均接收到一个来自GW150914的引力波信号。这一信号首先是由被称作“低延迟搜寻方法”的手段识别出来,该方法经过设计,专门用于对大量数据进行快速判别,其可以在不对信号波形进行细节识别的情况下快速判断出于引力波信号的特征。这一快速搜寻程序在相关信号数据下载后不到3分钟的时间里便识别出了可疑信号并向科学家发出了报告。随后研究人员开始对这一信号进行进一步分析并与数据库中大量可能的理论波形数据进行比对,这一过程被称作“匹配滤波”,其目的是找到与所收到的信号数据吻合度最好的波形。
此次获得的数据明确指向一个结论,即GW150914信号是由两个黑洞的合并过程产生的。从分析图上可以清晰看到,根据LIGO汉福德观测站所获得数据对于引力波模式的重建(灰色)与根据广义相对论原理构建的双黑洞合并释放引力波波形模式(红色)两者之间存在惊人的吻合。
通过将实测数据与理论波形预测进行对比,使得我们能够检验广义相对论是否能够完全描述这一事件。结果表明广义相对论完美通过了检验:我们所有的观测数据均与广义相对论的预测完全吻合。
我们同样也能够运用这些数据来推测产生引力波信号GW150914的天体系统的一些特征,包括这两个黑洞在相互合并之前各自的质量大小,合并后形成的单一黑洞质量大小以及这一双黑洞系统到地球的距离远近。
我们的分析结果显示信号GW150914是由两个质量分别为36倍以及29倍太阳质量的黑洞合并而成的,合并后形成的单一黑洞质量约为62倍太阳质量。另外,我们还推定这一合并后产生的黑洞存在自转,这种自转的黑洞最早是在1963年由数学家克尔(Roy Kerr)提出的。因此可以说,LIGO探测设施此次是探测到了发生在很久很久之前,在一个遥远星系中发生的一次重大事件!
如果我们将合并之前和之后的黑洞质量进行比较,就会发现这一黑洞的合并过程将大致相当于3个太阳的质量(约合600万亿亿亿千克)转化成了以引力波形式散发出去的能量,其中绝大部分在一瞬间便被辐射了出去。相比较之下,太阳每秒钟只会将自身质量的大约5万亿亿分之一转化为电磁辐射。事实上,GW150914所发出的引力波的辐射功率要比整个可观测宇宙中所有恒星和星系的光度加在一起的总和还要多出10倍。
我们怎么知道GW150914是一次黑洞合并事件?
研究人员对于GW150914信 号源合并前的两个成员的质量估算让我们可以非常有信心的认为这两者都是黑洞,尤其是考虑这两者之间快速的相互绕转以及非常近的间距(参见图片)。在这张图像中,速度以光速为单位,距离则以黑洞的史瓦西半径为单位,可以看到,这两个成员天体的运动速度极快,且相互之间的间隔仅有数个史瓦西半径。

这些图像展示这两个成员天体在合并之前,也就是在引力波频率为150赫兹左右的时刻,其相互间隔仅有数百千米,只有黑洞拥有足够高的密度,能够在相距如此近的情况上仍然不至于合并。而根据我们对于这两个成员天体总质量的估算,一对中子星的情况下质量是不足以解释信号的,而如果是一个成员是黑洞,另一个成员是中子星的情况下,在引力波频率还远不到150赫兹的时候就早就已经相互合并了。
我们能够确定GW150914是一次真实的天体物理学事件吗?
对于这个问题,简单的回答就是一个字:能。当然由于这是一个关键性问题,因此从LIGO科学合作组以及Virgo合作组的科学家们花费了巨大的努力来回答这个问题,为此开展了一系列独立和彻底的检验,所有结果都增强了我们对于GW150914这样信号的信心。
首先,正如我们之前已经指出的那样,两座LIGO观 测站之间信号的延迟符合以光速先后通过这两座站点的时间差。其次,正如在图一中能够见到的那样,在汉福德站和列文斯顿站都检测到了相似的波形信号,由于这 两台干涉仪的朝向几乎一致,因此这一点完全符合预期,并且此次信号的强度足够强,足以使其从背景噪音信号中凸显出来,就像在一个充满人群的嘈杂房间里突然 爆发出的一阵笑声那样,清晰可闻。
对于背景噪音的理解对于我们的分析工作至关重要,其中牵涉到对两处站点大量各类环境数据的监测:如地面运动、温度变化以及电压震荡等等。与此同时,大量数据 通道实时监控着干涉仪的状态,如检查不同的激光束是否到了正确校准等等。如果其中的任何环境或设备参数出现问题,那么此时取得的数据就会被剔除。而在此次 信号被接收到时,尽管进行了大量研究核查,但并未发现存在类似的数据质量问题。
但或许 GW150914是一次罕见的噪音起伏信号,并且碰巧正好几乎同时在LIGO的两个独立站点出现了?为了排除这种可能性,我们需要知道这样的噪音起伏信号出现的概率有多高:其出现的概率越低,则我们排除这一可能性,从而证明GW150914是一次真实引力波信号的把握就越高。
为了开展这一统计性分析,我们使用了在这一信号被接收到之后持续16天时间内稳定的高质量探测器数据。GW150914的确是该期间两台探测器迄今接收到的最强烈信号。随后我们在H1与L1数据间引入一系列人工时间位移,从而创造出一个长得多的数据集,以便我们能够从中寻找强度上与GW150914相近甚至更强的信号。在引入时间位移信号时,通过将其设置为大于10毫秒(以光速通过两个LIGO站点之间的距离所需的时间),我们可以确保这些人为引入的数据不会包含任何真实信号,而完全是噪音信号。此时我们可以发现,在这一长度更长的人为数据集中,有多大的概率会出现与GW150914相似的信号。这一分析结果为我们提供了出现“误报警”的概率数值:也就是一个噪音信号被误认为是真实信号的概率高低。

图片展示的是在我们的探测器数据中进行的这一数据统计分析得到的结果。黑色和紫色曲线代表的是“背景”:即我们预计在不同强度的信号情况下可能会出现的随机性噪 音“事件”。而橘色方块代表的是剔除人为事件位移因素之后,我们实际观测到的情况。这张图所传递的一项关键信息是这一观测到的事件,即GW150914的信号从背景噪音信号中凸显出来的程度之高。这就意味着出现与GW150914相似的噪音信号的可能性非常非常低,事实上,我们预计出现强度与GW150914相近信号的概率大约是20万年一次!这样的“误报警率”可以用一个参数来表达:sigma值。这种方法在统计学中被广泛采用,用于估算某次探测信号的置信程度。这一过程确保GW150914是一个真实的引力波信号,其置信度超过5个sigma。
结论与展望
在接下来的10年里,我们将会见证“先进LIGO”观测台的进一步升级以及一个全球性探测网络的扩展,其中将会包括位于意大利境内的“先进Virgo”观测站,位于日本境内的KAGRA观测站,或许还有在印度境内建立的第三个LIGO观测站。
这样一个增强版的国际网络将大大改进我们锁定天空中引力波发射源位置的能力并提升对其物理参数测定的精确度。引力波天文学这一新生领域未来的前景一片光明!
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