史上首次,三台设备同时捕捉引力波,定位黑洞将变得更准确

摘要

这次事件的意义在于:第三台设备的加入使目标定位更精准。

北京时间 9 月 28 日凌晨 12 点 30 分,美国和欧洲两个引力波项目组 LIGO 和 VIRGO 在意大利都灵召开新闻发布会宣布,两个项目组的 3 台干涉仪于今年 8 月 14 日首次共同探测到了「时空涟漪」,即引力波。这是 LIGO 第四次公布捕捉到引力波信号,再次验证了爱因斯坦提出的广义相对论,另外因为 VIRGO 的成功捕捉,使得对产生引力波的黑洞位置的定位更加精准。

​三地同时捕捉,目标定位更精准

这次引力波由距离地球 18 亿光年的两个超大黑洞合并产生,质量分别为太阳质量的 30.5 倍和 25.3 倍,合并后的黑洞质量约为太阳质量的 53.2 倍,相当于 2.6 个太阳的质量转变成能量,以引力波的形式释放到宇宙空间中,整个过程持续了约 0.25 秒的波形振幅拟合。

之前的三次观测,两个 LIGO 探测器可以将目标的范围定位在约 1160 平方度内,相当于 3000 个月球大小的太空范围;VIRGO 加入后,定位范围缩小到 100 平方度内,相当于 300 个月球大小的太空范围。如果进一步利用贝叶斯统计方法对所有可能参数进行估算,空间定位将进一步缩小至 60 平方度。

由此可以看出,此次三台干涉仪同时成功捕捉到引力波信号,使得对引力波信号来源位置的定位精度提高了 10 到 20 倍,对引力波探测意义重大。

此外,之前通过两台干涉仪捕捉到引力波的时间差,我们理论上可以判断信号的来源方向。现在,通过三台干涉仪的成功监测,就可以利用几何关系精确地定位黑洞融合事件发生在宇宙中的具体位置,科学家们将能更精准地判定引力波传播的角度方位,有助于对产生引力波的天体的认知,比如天体在相互软转时转动平面与地球观测视线之间的角度关系。这对后续的跟进研究至关重要。

LIGO 和 VIRGO

当宇宙中的致密天体发生合并时,会以极高速度相互绕转,并最终合并为一个质量更大的天体,同时,一部分质量转化为强烈的引力波信号,向宇宙空间中扩散。虽然初期强烈,但经过漫长旅程抵达地球时,引力波已十分微弱,需要极其精密的仪器才能观测,LIGO 和 VIRGO 就是因此而建。

LIGO 机构由美国国家科学基金会出资设立,分别在美国境内的路易斯安那州和华盛顿州建立两座完全相同的引力波监测设施。LIGO 的两个干涉仪于 2015 年 9 月升级后,于当月完成了人类历史上首次对引力波的捕捉。其后分别于 2015 年 12 月和 2017 年 1 月再次捕捉到引力波。加上这次,已成功捕捉四次引力波,而这仅仅是该机构对外公布的成果。

位于欧洲意大利比萨的 VIRGO 于 1996 年动工始建,后期不断建设升级,集中了 20 个欧洲研究团队的 280 多名物理学家和工程师,并于今年 8 月与 LIGO 展开联合观测。随后就共同捕捉到了这一次引力波事件。VIRGO 加入并成功观测的意义在于,为引力波探测增加了一个新的维度,并大大降低了观测对象空间位置的不确定性。

「令人激动的里程碑」

LIGO 发言人、麻省理工学院教授大卫·舒梅克表示:「观测范围更加明确后,地面光学和无线电天文望远镜可在第一时间准确对准信号来源进行观测,以确认是否存在其他星体合并产生的引力波。此次合作让引力波探测再向前跨越一大步。」

目前,位于欧美的这三座引力波天文台都已暂停运作,两个团队的科学家们将进一步提升设施的观测精度,计划于 2018 年秋季重新开机。舒梅克表示,预计届时将每周甚至更频繁地获得这样的探测结果。美国国家科学基金会主席弗朗斯·科尔多瓦也在一份声明中表示,相隔万里的探测器首次共同探测到引力波,对旨在破解宇宙奥秘的国际科学探索来说,是一个「令人激动的里程碑」。

20 世纪初,爱因斯坦提出了一项完全颠覆主流物理学理论的崭新思想,第一次将时间与空间统称为「时空」。爱因斯坦提出,任何有质量的物体都会造成其周围时空的扭曲,当有质量的物体移动时,会造成时空的扰动,就像小船驶过平静的湖面产生的道道波纹,这就是所谓的引力波。

根据爱因斯坦的理论,引力波可以直接与宇宙大爆炸连接,大爆炸之初的引力波在 137 亿年后的今天仍然可以被捕捉到,一旦捕捉到宇宙大爆炸时期的引力波,就有望了解宇宙的开端和运行机制。对引力波的成功捕捉意义重大,证实了爱因斯坦的理论,从而成为我们了解宇宙真相的纽带。

LIGO 的 Hanford 观测台负责人 Michael Landry 曾做客 2017 年的极客公园创新大会(GIF),详细介绍了发现引力波的细节及重大意义。(想看现场视频的同学可点「视频」)

头图来源:视觉中国

责任编辑:王伟

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