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北京时间5月17日14点,引力波探测器LIGO/Virgo探测到黑洞碰撞产生的引力波事件,距离地球在100亿光年左右,是有史以来人类探测到的最遥远的引力波事件。

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中子星碰撞艺术图

由于引力波以光速传播,因此,这列引力波已经在宇宙中穿行了100亿年,100亿年前太阳系和地球尚未形成。地球直到50亿年前才开始出现。30亿年前才出现简单的生命。

22日,据国外媒体报道,在升级之后第三个观测周期的两周内,激光干涉引力波天文台和位于意大利的室女座干涉仪探测到了两个可能的引力波信号。这两个信号被认为来自同一对黑洞的合并。引力波是由剧烈天文事件导致的时空涟漪,最初由爱因斯坦的广义相对论所预言。

据“LIGO 科学合作组织”微博透露,科学家大概率再次探测到双中子星碰撞产生的引力波,这次波源距离地球 5 亿光年。另外,我们询问了引力波领域的一线科学家,都表示探测到了这样一个引力波事件,但对于波源的具体参数都还没有得到细节信息。

有关两颗黑洞的质量等参数还没有披露。目前,黑洞碰撞产生的引力波已经达到了常态化的程度。

LIGO由两个相距约3000公里的巨型探测器组成,一个位于路易斯安那州的利文斯顿,另一个位于华盛顿州的汉福德

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在华盛顿州的汉福德,LIGO工程师正在准备先进LIGO的第三次观测运行

自从 2015 年 9 月 14 日。人类第一次探测到双黑洞合并产生的引力波以来,已经探测到 10 次以上的黑洞合并事件和一次中子星合并事件,上次中子星合并事件发生在 2017 年 8 月 17 日(代号:GW170817)。

本次引力波源在天空中的方位

4月8日,LIGO在其首次公开预警中宣布发现了第一个新的引力波信号,随后又在4月12日发布了第二个预警。这两个引力波事件很可能源自两个黑洞的碰撞。2015年9月,LIGO首次探测到了引力波,并在2016年2月宣布了这一发现。在接下来的三年里,科学家们又探测到了十多个引力波信号。随着LIGO和Virgo的升级完成,科学家希望最多时能每周探测到一个以上的引力波信号。到目前为止,探测结果符合这一预期。新一轮观测周期被称为“O3”,将持续大约一年。

首次中子星碰撞事件不但探测到了引力波,而且还找到了其电磁对应体,同时也找到了天文界设想已久的千新星。那次事件给普通人印象深刻的是:碰撞产生了 16000 倍地球质量的重元素,以及 10 个地球质量的铂金和黄金。

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过去数月的升级使LIGO捕捉引力波信号的敏感度比上一轮运行时提升了40%,而Virgo的灵敏度自上次运行以来几乎提升了一倍。此外,在这一轮的探测中,LIGO和Virgo过渡到了一个新系统。在这个系统中,它们几乎可以即时向天文学团体发出了潜在引力波探测结果的预报。这使得电磁望远镜能够搜索并有望找到来自同一来源的电磁信号,这些信号对于理解引力波事件的动力学至关重要。

LIGO 引力波探测器 4 月初重启,灵敏度有了很大提高,探测距离大大延伸,因此能够以几乎每周一次的频率探测到引力波事件。首次探测到的是距离地球 1.3 亿光年外的中子星碰撞,本次延伸到了 5 亿光年。

引力波波源的距离

在此次探测中,由物理学、天文学和天体物理学助理教授查德•汉纳领导的宾夕法尼亚州立大学LIGO科学家团队发挥了关键作用。

中子星碰撞比黑洞碰撞有更丰富的细节,因此科学家非常希望探测到中子星的碰撞。

自从2015年9月14日人类首次探测到两颗质量分别为29倍太阳质量和36倍太阳质量的黑洞碰撞产生的引力波以来,到目前为止,已经累计确认20次引力波事件!

“宾夕法尼亚州立大学的研究人员是LIGO科学团队的一部分,他们几乎实时地分析数据,”LIGO团队成员、宾夕法尼亚州立大学物理学研究生科迪·梅西克说,“我们不断地将这些数据与成千上万种可能的引力波进行比较,并尽可能快地将任何重要的候选引力波上传到数据库中。尽管有几个不同的团队都在进行类似的分析,但宾夕法尼亚州立大学团队分析后所上传的候选信号中就包括了这两个公开的探测结果。”

中子星是大质量恒星演化到末期,核心发生引力坍缩而成,并伴随超新星爆发。中子星的密度非常大,每立方厘米的体积的物质就能达到 1 亿吨。如果把地球压缩成中子星的密度,恐怕只有鸟巢大小。

其中有3次是中子星和中子星合并产生的引力波事件,但除了第一次中子星和中子星碰撞事件探测到了电磁对应体外,最近两次都没有探测到。这可能与最近两次的距离太远有一定关系。

梅西克在过去九个月里一直致力于确保上传的候选引力波信号包含所有在探测时运行的探测器的信息,即使其中某个探测器的信号异常安静。这有助于对信号进行定位,并有可能将信号来源的预测天空区域缩小一个数量级以上。所有的LIGO公开预警都将包括一张显示可能来源位置的天空地图、事件发生时间以及可能的事件类型。

值得一提的是,4 月 11 日,《自然》杂志在线发表了由我国科学家观测到的一次中子星合并产生强磁星的事件,距离地球 66 亿光年之遥。

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“这几乎是对两个黑洞可能碰撞产生的引力波进行实时探测,”宾夕法尼亚州立大学物理学研究生、LIGO团队成员瑞安·玛姬说,“我们在第一个信号到达地球20秒内就探测到了。我们可以设置自动警报,以便在识别出重要的候选信号时接到电话和短信。我还以为一开始会接到一个垃圾电话呢!”

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位于美国汉福德的一架引力波探测器,每个臂长为4千米。

2019年4月8日探测到的引力波信号源所在的天空区域。该区域横跨387平方度,相当于2000个满月,大致蜿蜒穿过天空北半球的仙后座、蝎虎座、仙女座和仙王座

2018 年 11 月 3 日上午,著名天体物理学家,2017 年诺贝尔物理学得主基普o索恩(Kip Thorne)在参加腾讯 WE 大会期间曾接受了我们的采访,他表示“2017 年 8 月份我们关闭了 LIGO,进行升级改造工作,目前进展顺利,预计 2019 年 2 月份重启。升级后的 LIGO 探测距离是原来的两倍,探测空间扩大为原来的八倍。预计能够更频繁地探测到黑洞的碰撞,还将会看到更多的中子星碰撞,我期待观测到黑洞撕裂中子星的事件,这将是一个研究中子星内部核物质物理学的绝佳环境。”

自从2019年4月引力波探测器重启以来,在不到两个月的时间内,人类已经探测到10次引力波事件!达到了每周超过一次的频率。这是由于最新升级后的探测器探测距离扩大了两倍,探测体积增大了八倍(体积与距离的立方成正比)。

据推测,这两个引力波信号的来源都是致密双星合并——两个巨大且密度极高的天体相互碰撞。致密双星合并可以发生在两颗中子星、两个黑洞或者一颗中子星和一个黑洞之间。不同类型的合并会产生不同的引力波信号,从而使LIGO团队能够识别出产生引力波的事件类型。

现在看来,重启后的 LIGO 确实看到了更多的黑洞和中子星合并事件,就差一次黑洞撕裂中子星事件了!让我们一起期待这一更精彩的天体物理过程。

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“随着LIGO的更新,我希望看到更多的信号,”瑞安·玛姬说,“我真的很想看到中子星和黑洞的合并,这种情况目前还没有被探测到。”黑洞—中子星合并是比黑洞—黑洞、中子星—中子星合并更为罕见的事件,也是科学家非常期待的科学发现,其极端性还处在热烈讨论之中。

这是2019年前人类探测到的11次引力波事件

LIGO由两个相距约3000公里的巨型探测器组成,一个位于路易斯安那州的利文斯顿,另一个位于华盛顿州的汉福德。意大利的室女座引力波天文台也探测到了这两个探测器发现的引力波信号,并立即公诸于众。

迄今为止,这20次引力波事件都是黑洞-黑洞或中子星-中子星碰撞产生。科学家最期待的是一次黑洞-中子星的碰撞事件,更确切地说是黑洞潮汐瓦解中子星事件!

“这是LIGO第一次以自动方式即时地公开探测结果,”宾夕法尼亚州立大学物理学博士后、LIGO团队成员Surabhi Sachdev说,“这是LIGO从这轮探测开始实行的新运行策略。引力波事件会立即自动公开。经过人工审核之后,相关的确认或撤回决定将在数小时内发出。”

中子星是宇宙中最接近黑洞的物体,拥有强引力场、强电场和强磁场,也是集四大相互作用于一身的天体。我们对它的内部结构了解的比较少,如果黑洞把这样的天体撕裂给你看,这当然令人兴奋了。