赛先生天文?|?突发：LIGO宣布探测到第二个引力波事件，这意味着什么？

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　　（图片作者：Matipon Tangmatitham）

　　北京时间16日凌晨，LIGO 在美国天文学会正式宣布再次倾听到了双黑洞并合的天籁之音。这第二个引力波事件发生在2015年12月26日，由两个分别为14.2和7.5个太阳质量的黑洞并合所引起（LIGO同时公布了信噪比降低的第三个事件，LVT151012）。

　　参加新闻发布会的人员既有LIGO科学合作组织的新闻发言人加布里埃拉·冈萨雷斯、加州理工学院LIGO实验室所长戴维·莱兹，还有欧洲VIRGO引力波探测器的新闻发言人富尔维奥·里奇。

　　第二次探测到引力波能给我们带来什么新的启示？中国在该方向还有什么机遇？本文将和读者共同探讨这些问题。

　　作者毛淑德、李顺生（清华大学、国家天文台；南京大学）

　　什么是引力波？

　　根据爱因斯坦的广义相对论，任何物体的加速运动均会对周围的时空产生扰动，这种扰动会以引力波的形式向外传播，在时空中泛起像水波一样的“涟漪”。借助极其灵敏的探测器，我们可以捕捉到这一效应导致的空间的微小拉伸，从而探测到引力波（见下面视频）。

　　 双黑洞并合产生的时空涟漪-引力波示意图和动画 (摘自 www.ligo.caltech.edu )

　　引力波的直接探测是检验相对论正确性的最重要也是最后的一块“拼图”。引力波的一些物理特性，如几乎不与物质直接发生作用，携带有发射源以及引力本质的信息等，使其成为了一个理想的天文观测工具。引力波直接探测的实现无疑是打开天文观测的一个新窗口，我们迫切期望能听到这窗外的天籁之音。

　　 GW151226的发现

　　 LIGO科学合作组织在圣地亚哥举行的美国天文学会第228次会议上正式宣布的第二个引力波事件发生于2015年的圣诞节期间 （12月26日） ，这无疑是LIGO科学合作组成员收到的一个绝佳的节日礼物，但肯定也扰乱了许多人的假日计划！这一事件是在第一个完整的观测季节（从2015年9月12日到2016年1月19日）共130天中捕捉到的。整个事件持续约1秒（30个周期），比第一个事件长了约5倍，统计置信度高于5个标准方差，结果在物理评论快讯上发表。

　　赛先生天文?|?突发：LIGO宣布探测到第二个引力波事件，这意味着什么？

　　图1：从上到下：GW151226拉伸强度随时间的变化（黑线为模型）；累积信噪比随时间的演化；信噪比随时间的演化；该事件在频率-时间参数空间内的分布。左列和右列分别为LIGO两个探测器（Handford和Livingston）的观测数据（红线和蓝线）。

　　 GW150914 和 GW151226 的异同

　　这次发现的双黑洞并合事件离地球的距离与第一个事件几乎相同，为约14亿光年（红移为0.1），最后形成黑洞的（无量纲）自旋参量（0.7）也很接近，这些很可能只是巧合。这两个事件也有两个主要区别：

第二个事件中双黑洞的质量分别为14.2和7.5个太阳质量 ，与其他天文方法发现的黑洞的质量接近，但明显小于第一个事件的双黑洞质量（分别为36和29个太阳质量）。最后的黑洞并合释放约1个太阳质量的巨大能量，虽低于第一个事件释放的能量（折合3个太阳质量），但还是极为可观。由于此次双黑洞质量更小，事件的持续时间（1秒）也比第一个事件长了约5倍。另外，此次信号频率范围在35-430赫兹，比第一个事件的频率范围（35-250赫兹）更高。
更重要的是，第一个事件在频率和时间参数空间上肉眼可见，而 GW151226信号淹没在噪声中（见图1），必须通过复杂的数据处理才能挖掘出来，这也从侧面反映了数据处理和统计分析在引力波探测中的重要地位。

　　对引力波真实性的质疑可以休矣！

　　 2016年2月11日，LIGO 宣布首次直接探测到了引力波。这震撼了学术界并引起了公众的极大兴趣，一时“引力波”成了热词。但也不乏有少数人对其真实性提出了质疑。

　　 质疑一： 第一个引力波事件的持续时间非常之短，只有约0.2秒。这样瞬间即逝的事件可信吗？这其实是个误区。现代天文的观测往往是借助仪器，而现代仪器的响应时标可以比变化时标短很多。比如，LIGO对100赫兹的引力波最敏感，时间采样的响应能力（0.01秒）相较于持续时间约为0.2秒的引力波事件来说已经绰绰有余。

　　我们可以打一个比喻：对于一列正在疾驰的动车，如果我们单凭肉眼是观测不到任何细节的。但借助高速照相机，我们可以在动车经过的几秒内抓拍到很多照片，从而得到列车内的各种细节。在天文观测中，这种短时标的事件不乏其数，如伽马暴等（通常持续0.3秒到几十分钟）；现代天文仪器借助其快速响应能力完全可以捕捉到这些短时标的事件。

　　 质疑二： 双黑洞并合事件不可重复，怎么确信这不是偶发的不关联事件？实际上，不同于一般的物理实验，天文观测基于自然事件，因此有许多事件是不可重复的（如超新星爆发、伽马暴等），为确定这些事件的真实性，科学家发展了许多相应的对策。

　　对于引力波的观测，研究者先通过理论模拟计算得到一个海量的波形库。当探测器通过所谓的低延时方法得到可能的引力波后，我们可以通过比对候选体与波形库来确定信号的真实性，并进一步得出有关发射源的信息。

　　此外，借助于不同环境、不同地点的多个探测器的同步观测，我们可以区分引力波和环境噪声，并提高信号的可信度，更好地确定引力波源的方向和物理性质。第一个和第二个引力波，都被LIGO两个相距3000公里的探测器（几乎）同时观测到，而且波形一模一样，与理论模型符合得很好，强有力地证明引力波的真实性。依作者之见，对引力波真实性的质疑可以休矣！

　　为什么又是双黑洞并合？

　　 GW151226的发现自然引出了一个问题：为什么第二个事件又是双黑洞并合产生的？要回答这个问题，我们首先需要考虑到天文观测普遍存在的选择效应，即能观测到的事件依赖于仪器本身的设计性能。对于LIGO，双致密星并合前发出引力波的频率恰好落在其敏感频段，所以再次探测到双致密星并合也就不足为奇了。但为什么又是双黑洞，而不是其他致密星（如中子星）的并合？这就需要一番解释了。

　　引力波能使物体的长度发生拉伸，其长度的相对变化由（无量纲的）拉伸强度h表征，其大小与并合天体的质量（m 1 ， m 2 ）成正比，而与他们之间的距离(a),和其到观测者的距离(D)，约成反比：

h ~ m 1 m 2 /(a D)

　　由于黑洞的质量一般大于其他致密星（中子星和白矮星），在同样的灵敏度下，我们可以观测到更远、更大空间范围内的双黑洞并合事件。因此如果双黑洞并合事件和双中子星并合事件在单位空间体积内发生的频率相同，那我们就会观测到更多的双黑洞引力波事件。

　　随着引力波探测技术的不断成熟，引力波样本的数目会越来越多。届时，我们将可以通过样本统计方法来研究双星演化过程以及双中子星、双黑洞的相对数目及其产生机制。在这种意义上，再次观测到引力波无疑是向引力波统计研究迈出了第一步。

　　现有地面引力波探测器的不足和机遇

　　虽然引力波的首次直接观测仅是不久前的事情，但人们对引力波的直接探测方法的探索已经持续了半个多世纪。从最早的韦伯型共振棒探测器到现在的引力波激光干涉仪，随着探测方法的不断改进，以及观测设备的不断升级，现在的引力波探测器已经达到了前所未有的高精度（现在的LIGO已经可以测出相当于千分之一个质子半径的细微变化）。但从第一个和第二个引力波事件可以看到现有观测装置还有不足之处：

　　 1）引力波源的方向定位精度很差：第一个和第二个源的90%位置不确定度约为600和上千平方度（见图2），远远超过一般望远镜平方度量级的视场，从而很难搜寻其他波段的对应体。

　　 2）能探测到的引力波源数量有限。按照目前的探测器灵敏度来推断，一个月只能探测到约1个源，所以需要较长时间才能形成有意义的统计样本。

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　　图2：GW151226可能的来向。该源有可能来自南半球或北半球 (最外面的紫线为90%的方向不确定度)，对搜寻电磁波对应体是极大的挑战 (图片来源ligo.caltech.edu)

　　这些不足正在得到弥补。首先，意大利和法国共建的VIRGO，日本建在地下的KAGRA（刚开始采集数据），还有计划建于印度的第三个LIGO探测器等将形成引力波探测的国际网络，使定位精度得到提高，这将有助于搜寻引力波源的电磁波对应体。一旦发现对应体，我们就可以更精确地测定波源的距离，进一步验证引力波传播速度是否精确为光速等。其次，探测器的灵敏度也在不断提高，LIGO本身两年内或可将其灵敏度提高三倍左右，而下一代（第三代）引力波探测器的灵敏度更将大大提高，随之而来的样本数目也将迅速增加，使统计研究（包括利用引力波来研究暗能量随时间的演化）成为可能。

　　值得一提的是，中国也正在积极筹备建造地面和空间引力波探测器。笔者认为，中国在此领域的挑战和机遇并存，我们通过扎实的预研和充分的论证，完全可以在此世界强国激烈竞争的前沿领域占据一席之地并取得突破。

　　引力波发现和诺贝尔奖“成团”效应

　　第一次直接探测到引力波无疑是个重大发现，拿诺贝尔奖应无悬念（大多数人认为得主可能是加州理工学院的Kip Thorne 和 Ronald Drever教授以及麻省理工学院的Rainer Weiss教授，见图3；他们三人及其团队成员最近分享了物理学特别突破奖和2016年邵逸夫奖），许多人在问以后这个领域还会不会有更多的突破（诺奖）？

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　　 图3：从左到右，Rainer Weiss (麻省理工学院)，Kip Thorne 和 Ronald Drever (加州理工学院)。

　　首先需要强调的是：基础研究的目的不是拿奖，而是探究自然界的基本规律。但话又说回来，诺奖也在一定程度上可以反映出一个方向的重要性。从以往的获奖情况来看，一个基础方向往往会产生不止一个诺奖，有很强的“成团”效应。宇宙微波背景辐射的发现于1978年得奖，而其各向异性的发现在2006年再次获奖。很多天文学家认为通过观测微波背景辐射的偏振信号可以用来探测原初引力波并验证暴涨理论，有可能再冲诺奖；中国天文学家在西藏阿里推动建设的微波背景辐射的观测装置，就是瞄准了这一前沿领域可能的突破。

　　另一个好例子是脉冲星，其作为宇宙最为精准的时钟，脉冲星在天文学上有着重要的地位。它的发现在1974年得奖，而双中子星的发现因为间接验证了引力波的存在，于1993年得奖。有人预测，如果发现一个脉冲星和黑洞的双星系统，我们将可以利用其中的脉冲星对黑洞的相对论性质进行前所未有的高精度检验，有可能再次获奖，在这方面我国的五百米射电望远镜有宝贵的机遇。另外，中微子研究在历史上多次得奖，也有很强的“成团”效应。

　　其实引力波存在的理论预言已久，因此它在观测上得到证实并不是颠覆性的发现，其更重要的意义恰恰在于正在起步的相关后续工作，比如其对应体的发现，不少人认为可能再次得奖（笔者倒认为如果通过引力波探测发现“奇异星”或新的物态方程是更大的突破）。同其他基础方向一样，我们期待引力波这个新窗口能给我们带来更多的美景，包括物理学上的世外桃源（未知的未知，unknown unknowns）！更希望中国科学家在此新兴领域发现属于自己的新大陆！

　　参考文献

　　 Abbott et al. 2016, PRL, 116, 241103(http://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.116.241103)

　　 作者简介

　　毛淑德：教授，清华大学天体物理中心主任、中科院国家天文台星系宇宙学部主任，主要研究领域为星系动力学、引力透镜和系外行星搜寻。

　　李顺生：南京大学本科生，现研究方向为引力波的引力透镜效应。