引力波天文学时代正式开启

　　再次发现引力波的双黑洞并合示意图。(图片来源：LIGO官网)

　　本报记者 许琦敏

　　昨天凌晨1点15分，激光干涉引力波天文台 (LIGO) 在美国天文学会宣布，再次直接探测到了双黑洞并合产生的引力波。这次发布距今年2月首次发现引力波，只有短短4个月。它的出现，打消了一些科学家对引力波“孤证不立”的质疑，标志着天文学的一个新兴分支———引力波天文学的正式开启。

　　GW151226：“爱因斯坦的圣诞礼物”

　　在距离地球14亿光年的宇宙深处，两个质量分别为14.2倍和7.5倍太阳质量的黑洞一边自转一边互相旋转着，最后并合成了一个20.8倍太阳质量的大黑洞，在短短1秒钟的时间里，有相当于一个太阳的质量转化为能量，以引力波的形式释放出去———世界标准时2015年12月26日3点38分53秒，这“时空的涟漪”传到了地球，位于美国路易斯安那州列文斯顿和华盛顿州汉福德的激光干涉引力波观测台相隔1.1毫秒，先后探测到了这个引力波信号。此时恰逢圣诞假期，因此GW151226又被LIGO合作组织的科学家亲切地称为“爱因斯坦的圣诞礼物”，内部代号“节礼日事件”。

　　与去年9月14日首次发现的引力波不同，这次的引力波强度低了很多，但时间却长达1秒，而上次只有0.2秒。这次，科学家采用了匹配滤波器的技术来辨认可能的引力波信号，同时采用在线搜索，使GW151226抵达地区仅70秒后就得到了辨认———虽然它的信号强度远远弱于GW150914，但相对于背景噪声，它依然鹤立鸡群，并且通过了物理领域的黄金标准———五倍标准差的检验。

　　引力波“孤证不立”质疑消除

　　2016年2月11日，LIGO首次宣布探测到引力波，在轰动全世界的同时，也受到不少质疑，“孤证不立”就是其中之一。尽管有科学家认为，今后引力波信号会“噼噼啪啪地到来”，但也有科学家甚至打赌，LIGO再次探测到引力波，不知要等到猴年马月。

　　没想到，就在“猴年马月”，LIGO宣布了再次探测到引力波，新闻发布会上还宣布了另一起“疑似引力波事件”。LIGO团队成员明镜表示，这三次引力波事件说明，宇宙中的恒星质量双黑洞系统比人们原先想象的更多，这些初始的发现对科学家理解这些双黑洞群是非常重要的第一步，在此之前人类对这些信息浑然无知。根据这三个事件的观测数据，科学家对双黑洞并合率的估计为：每年在每立方Gpc(吉秒差距，相当于3.2616亿光年)的空间内有9-240次黑洞并合。

　　引力波的厉害之处在于它能直接测量距离，省去中间环节。结合其他手段，天文学家将对双黑洞系统、双中子星系统的结构有更深入了解。“在天文学中，一次探测是发现，两次可以谈统计，三次就可以谈分布了。”LIGO科学合作组织成员胡一鸣博士说，新的信号的探测让科学家相信，人类探测到引力波不是运气好，而是仪器升级后灵敏度大增的必然结果。目前，LIGO的灵敏度只达到了预期的40%，今年秋天它再度启动时，预计灵敏度还可提高15%-25%。未来，LIGO的探测将会成为一种常规性报道。今年秋季，欧洲Virgo探测器也将加入，科学家将来还可能探测到其他并合事件。

　　打开了认知神秘宇宙的大门

　　引力波是爱因斯坦广义相对论的最后一个预言，它的正式确认，标志着天文学正式进入“引力波时代”。

　　LIGO的新闻稿中说，GW151226是首次直接观测到的在10倍太阳质量范围的双黑洞系统，“它们发出的引力波使我们可以找到通过其他手段无法直接观测到的新双黑洞系统。引力波就此可以确切地确认黑洞的存在，并打开了认知神秘宇宙的大门。引力波天文学的时代真正地开始了!”

　　在宇宙中，引力波的频率很宽，最低的只有亿亿分之一赫兹，而LIGO的主要探测频率在几十到几千赫兹。美国麻省理工学院物理系研究员苏萌介绍，针对不同频率，科学家采取了不同的探测手段。比如，频率最低的原初引力波，只能通过宇宙微波背景辐射来寻找它。又如，大质量黑洞并合时发出的引力波，对应频率在百万分之一赫兹到亿分之一赫兹之间，科学家往往在地面上用大型地面射电望远镜来观测这种引力波。当频率提升到十万分之一到一赫兹，对应的信号来源为中子星碰撞、超新星爆炸等产生的引力波，其探测手段则是空间卫星阵列。

　　在引力波探测领域，我国有中国科学院发起的“太极计划”、由中山大学领衔的“天琴计划”，均计划在未来15-20年内，发射引力波探测卫星组，对中低频引力波进行探测。而由中科院高能物理研究所主导的“阿里实验计划”则准备在阿里建成北半球天区第一个原初引力波的地面观测点。