来自宇宙的圣诞礼物——LIGO发现了第二个引力波信号

□ TOPP

来自宇宙的圣诞礼物——LIGO发现了第二个引力波信号

□ TOPP

有一个很著名的“心灵鸡汤”：

-你知道世界第一高峰是什么吗？

-珠穆朗玛峰。

-那你知道世界第二大高峰么？

-……

-所以这就是你要得第一的原因。

这个故事有没有道理先放一边，不过它倒是很好地诠释了LIGO两次引力波事件关注度的差距。什么，你还不知道LIGO又发现了一个引力波信号？那么且听我慢慢讲来吧。

图中是艺术家绘制的G W 150914（左）和GW151226（右）双黑洞并合事件艺术图。虽然这两个事件被画在了一幅图中，但实际上却发生于不同的天区位置，就连探测到的时间也有先后。这幅图旨在从大小尺度上直观地告诉我们这两次发生的黑洞并合事件中，黑洞质量的差异大小。在GW150914事件中，两个黑洞质量分别为太阳质量的29倍和36倍，而GW151226事件中的两个黑洞质量分别为太阳质量的8倍和14倍。图片来源：LIGO官网

圣诞节的礼物

北京时间2016年6月16日凌晨，LIGO（激光干涉引力波观测台）宣布发现第二个引力波信号。这个信号发生在北京时间2015年12月26日11时38分53秒（美国东部时间25日22时38分53秒）。

圣诞节（12月25日）在欧美是一个非常重要的节日，大多数人都会休假在家。而LIGO的几百名科学家在接到探测器发出的警报信号后迅速停止了休假，回到了工作岗位，排查验证信号的真实性，对观测数据进行处理分析。

最终，这个信号被证实为引力波信号，统计置信度高于5个标准方差。这个信号是由两个黑洞并合时产生的，两个黑洞的质量分别为14个太阳质量和7.5个太阳质量，信号持续了1秒左右，并合过程中释放出的能量相当于一个太阳的质量。

这个圣诞节礼物还真是不寻常啊！

只是上一次的翻版？

虽然两次引力波事件都是黑洞并合形成的，但是这次的信号——GW151226与今年2月11日宣布探测到的引力波信号GW150914（见2016年第3期《天文爱好者》）相比还是有些新奇之处的。

图中为两次信号的对比，上图为GW150914，下图为GW151226。明显前者比后者的信噪比要高得多。图片来源：PRL 116, 061102 (2016)和PRL 116, 241103 (2016)

首先，GW151226比GW150914要弱很多：前者的信噪比只有10左右，而后者的信噪比则达到了24。这意味着我们需要好的数据处理方法将该信号从噪声中分离出来，而LIGO做到了。毕竟，未来我们需要面对的是大量的低信噪比信号，需要在纷乱的噪声中找到我们需要的信息，而不是像GW150914那样少见而清脆的“哨声”。这让我们更加期待LIGO今后的表现。

其次，这次相撞的两个黑洞质量更小，更为常见。在信号GW150914中，两个黑洞质量分别为太阳质量的29倍和36倍。我们对于质量这么大的黑洞知之甚少。而这次的两个黑洞质量分别为太阳质量的8倍和14倍，这种大小的黑洞在银河系里更为常见，我们研究的也更多，对其性质了解得更深入。同时，质量小的黑洞并合持续时间会更长，这可以使我们获得黑洞并合过程中更加详尽的数据。

通过这次观测还测得，参与并合的黑洞有不小的自旋。自旋信息是解密双黑洞系统形成过程的一把钥匙，而在第一次的引力波信号中，由于两个黑洞相互绕转过快，仪器分辨率不够，并没有测量到黑洞并合前的自旋。

LIGO的探测工作已经非常显著地帮助我们获悉了更多黑洞的质量信息。目前的观测设备已经确凿地探测到了两组黑洞的并合事件（亮蓝色部分），对于这两次并合事件，LIGO既给出了并合前两个黑洞各自的质量，也给出了并合发生后的质量。图中以虚线标示的事件对应于信号过于微弱而不足以被定义成“探测到”的候选事件。图片来源：LIGO官网

下一个引力波信号会是什么时候？

说实话，LIGO宣布发现第一个引力波信号的时候，虽然很令人兴奋，但是，没人敢说下一个信号什么时候会出现。因为两个如此大质量的恒星级黑洞在距离我们不远的地方相互绕转并合是一件比较稀有的事件，LIGO能够拿下引力波的首次发现还有一定的运气因素。而这一次则是其他设备，甚至是升级以前的LIGO（见2015年第11期《天文爱好者》）都无法探测到的信号。据估计，这样的信号平均一个月地球上就可以接收到一次。可以想见，在即将开始的LIGO下一个观测周期里，引力波事件将不再是一个新鲜的话题了。

引力波探测的未来与机遇

GW20151226的可能位置，最外面的紫线为90%的方向不确定度。图片来源：LIGO官网

探测到引力波信号，是对相对论百年悬案的一个终结，但也是物理学和天文学领域一个新的领域的开端。在解决了“有没有”的问题后，自然我们就希望向着更完美的方向迈进。这就是科学——每解决一个旧问题，都会引出一百个新问题。

1.更好的定位精度。LIGO虽然能探测到引力波信号，但是因为只有两个探测器，而且它们之间（相对于光速）距离较近，很难精确确定引力波源的位置，这使得在茫茫宇宙中搜索引力波源的电磁波对应体非常困难。目前发现的两个引力波源，只有GW150914找到了一个疑似的伽玛暴对应体。不过，即将开始观测的VIRGO（室女座引力波探测器，意大利、法国共建），开始试运行的KAGRA（神冈引力波探测器，日本），发射中的eLISA（美国、欧洲合作），以及计划中的建于印度的第三台LIGO探测器、中国的天琴、太极两个引力波探测计划等多个项目的加入可以使引力波探测形成空地一体的全球网络，使引力波源的定位精度得到提高，也终将让我们可以全方位了解引力波源的性质。

2.更灵敏的探测设备。虽然LIGO的灵敏度已经可以观测恒星级黑洞并合时发出的引力波，但是对于天文学家来讲，这还远远不够。我们更希望能探测到中子星乃至白矮星并合甚至绕转时的引力波信号，这将对现有天文学理论产生极大的影响。LIGO本身两年内或可将其灵敏度提高三倍左右，而下一代引力波探测器在灵敏度上会有大幅提高。未来，我们将拥有一个庞大的引力波样本库，为宇宙学、星系天文学、恒星演化等方向的研究提供新的路径。

3.更高的时间分辨率。目前，虽然LIGO的时间采样的响应能力有0.01秒，眨眼的工夫都不到，但是，在面对两个黑洞“激情碰撞”的时候，还是会错过很多细节。目前引力波的存在已经毫无疑问了，未来我们将会建立一些侧重于观测精度而非灵敏度（当然，肯定比现在的仪器灵敏度高）的引力波探测器，让我们可以更好的探寻宇宙的秘密。

番外

据说，在伽玛暴等爆发型事件的巡天项目中，圣诞节期间总是事件发生较少的时段。这倒不是因为上帝看在圣诞的份上暂缓了活动，而是因为研究人员为了过个好假期把告警的阈值调高了。看来LIGO的工作人员没有偷这个懒，尽心尽力地完成了工作，当然，也收到了份不错的圣诞礼物。

（责任编辑 冯）