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什么是引力波?学者:发现它意味着人类有了第六感(4)

2016-02-12 10:53:48      参与评论()人

经过4年不断升级和测试的高新LIGO终于在2015年9月初试锋芒。事实上,很多人都对2015年的第一次观测运行(O1)能否探测到信号抱有怀疑态度,因为它的灵敏度还远远没到最佳状态。然而,宇宙往往在不经意间给人以惊喜。甚至在O1没有正式启动时,GW150914就已经不期而遇了*。万幸的是,O1采用的是软启动,所以在信号到达地球时,探测器已经处于工作状态了,采集到的数据也是可靠的。

3、GW150914事件到底是什么?

在2015年9月14日北京时间17点50分45秒,LIGO位于美国利文斯顿与汉福德的两台探测器同时观测到了GW150914信号。这个信号首先由低延迟搜索方法来识别(这种搜索方法并不关心精确的引力波波形,它通过寻找可能为引力波的某些特征迹象来较快速地寻找引力波),在仅仅三分钟之后,低延迟搜索方法就将此作为引力波的候选事件汇报了出来。之后LIGO干涉仪获得的引力波应变数据又被LSC的数据分析专家们拿来和一个海量的由理论计算产生的波形库中的波形相对照,这个过程是为了找到和原数据最匹配的波形,也就是通常所说的匹配滤波器法。图7展示了进一步数据分析后的主要结果,证实了GW150914是两个黑洞并合的事件。

什么是引力波?学者:发现它意味着人类有了第六感7

通过比较引力波应变数据(以在汉福德的H1探测器所接收的应变为例)和由广义相对论计算得出的在旋进(inspiral)、合并(merger)、铃宕(ringdown)三个过程的最佳匹配波形,得出的关于GW150914的一些关键结论。图片下方展示了两个黑洞的间距和相对速度随时间演化的过程,它们的速度在不到0.2秒的时间内达到了0.6倍光速。(此图版权为LSC/VirgoCollaboration所有)

后续跟进的数据分析结果还显示,GW150914是一个36倍太阳质量的黑洞和一个29倍太阳质量黑洞并合事件,在并合后产生了一个62倍太阳质量带自旋的kerr黑洞。这一切发生于距离我们十几亿光年以外的地方。LIGO探测器真实地探测到了很久以前发生于某个遥远星系的一个大事件!

将并合前的两个黑洞和最终产生的黑洞相比较,可以发现这次并合将大约3倍太阳质量(大约600万亿亿亿(~6×1030)公斤)转换成了引力波能量,其中绝大部分在不到一秒的时间里释放了出去。相比之下,太阳在一秒内发出的能量大约只相当于是四十亿(~4×109)公斤物质转换成的电磁辐射。实际上,令人惊奇的是,GW150914放出的峰值功率要比可观测宇宙中所有星系的光度总和还高10倍以上!正是因为致密双星系统在并合前的最后阶段才能释放达到峰值功率的引力波,所以之前提到的还有3亿年才能并合的PSR1913+16双星由于正在释放的引力波强度还太弱,因此很难被探测到。

以上数据还表明,这两个黑洞在并合前的间隔只有数百公里,引力波的频率在此时大约达到了150Hz。因为足够致密,黑洞是唯一已知在如此近的距离都不会碰撞融合的物体。由并合前总质量可知,双中子星的总质量远低于此,而如果是一对黑洞和中子星组成的双星的话,要产生这样的波形,它们必定会在远低于150Hz的时候就早已开始并合了。因此,GW159014确凿无误是一次双黑洞的并合事件。

新的时代

爱因斯坦的广义相对论自从100年前提出以来,历经了重重考验,从对水星近日点进动的解释,到1919年爱丁顿对日全食时太阳附近光线偏折的研究,再到对引力红移的验证,每一次检验,相对论都从容应对。而这一次引力波的探测,更是有力地支持了相对论在强引力场下的正确性。至此,广义相对论的所有主要预言被一一验证,而这一个传奇的理论在经历了一个世纪的风雨后历久弥新。

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