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引力波发现被确认

天淡银河垂地  · 知乎专栏  ·  · 2016-02-11 23:06

正文

LIGO官网上的新闻稿出来了。

ligo.org/news/pressrele

PRL上的引力波探测文章也已经出来了。

相关科普介绍,可见zhuanlan.zhihu.com/Mrfo

我下面简单介绍一下PRL上文章的内容。

这次观测到的引力波事件,是由一个36太阳质量和一个29太阳质量的黑洞合并发出的。合并后的黑洞质量62太阳质量,说明有3个太阳质量的能量以引力波的形式放出(误差0.5太阳质量)。探测的可信度是5.1个sigma,按照物理学界惯例,可以被称作发现。统计上讲,这个显著度意味着203000年才会生一次由噪声造成的误判。

这个引力波源,远远在银河系之外,距离我们410Mpc(误差+180-160Mpc),差不多是12亿光年外(红移0.09,光度距离)。比较一下的话,这个距离差不多是我们到最近星系团室女团距离的二十多倍,是银河系大小的16000倍。

整个引力波观测过程0.4秒,其中双黑洞合并的一瞬间只有0.05秒(下图2)。双黑洞合并几乎在一瞬间就将3太阳质量等效的能量以引力波形式发射出去,功率顶峰高达200太阳质量/秒。什么意思呢,这是全宇宙恒星功率和的50倍。所以虽然我们看不见,甚至很难感觉到,但是引力波确实是宇宙中强大的能量事件。

合并前大黑洞的自旋是0.7(自旋标示了黑洞转动的角动量,最大为1。但理论上一般认为最大自旋只能到0.998,有自旋的黑洞可以拖曳周围空间回旋)。观测对小黑洞的自旋限制不强。合并后黑洞自旋为0.67.

这次观测对引力子(graviton)质量和波长有个下限限制,这个限制比星系团和引力透镜观测的限制稍微松一些(后两者的限制有模型依赖),也就是还没有什么实际意义。

观测对宇宙中的黑洞合并率也有限制,但是因为只观测到一次事件,这个限制也不是很紧密。

但是有一个很有意思的是这次发现的引力波事件的两个黑洞质量都很大,过去研究者们有争论是否恒星死亡能够形成这么大的黑洞有争议。这次观测对恒星演化最后阶段的物理给了很强的信息。


图一,横轴是时间,第一列左侧的图显示了华盛顿州LIGO探测器的引力波观测信号,右侧是路易斯安那州的另一个探测器的观测图样。在右边图中,作者也描上了左侧的信号。可以看到两个信号非常一致。说明观测比较可靠。两组观测相差6.9毫秒(因为两组探测器位置相差3000公里)。第二列是理论模型。最后一列是信号的频率随时间的变化。

图二,上半张图的上半部是黑洞合并的过程。绕转,渐进,合并产生变形的黑洞,最后黑洞形变消失。下半部的红色震荡曲线显示了相应的LIGO观测信号。下半张图黑线显示了双黑洞间距的变化(看图右边y坐标),合并前双黑洞相距5Rs。绿线是双黑洞相对速度变化,信号开始被观测到时是0.3倍光速,到合并前已经到了0.6倍光速。关于黑洞合并和引力波的科普背景,可以看zhuanlan.zhihu.com/Mrfo

文章最后说一大波文章已经出来了(因为听说了之前的传言),另一大波文章正在路上。我很同意很多评论的朋友,人类确实又向前走了一大步。