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GW150914

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GW150914
GW150914探測結果及理論分析[a]
說明人類首次直接探測到的引力波
現象類型引力波
探測情況
發現日期2015年9月14日
信號持續時間0.2 s
信號頻率35 Hz－250 Hz
探測器LIGO
探測器位置 美國
產生位置
距離410+160
−180 Mpc
紅移0.09+0.03
−0.04
引力波源雙黑洞
能量情況
峰值功率3.6×1049 W
總能量輸出3.0±0.5 M☉ × c2

GW150914是由激光干涉引力波天文台（LIGO）於2015年9月14日探測到的引力波現象，是人類首次直接探測到的引力波。相關探測結果由LIGO、處女座干涉儀（Virgo）研究團隊於2016年2月11日共同宣布。這束產生於雙黑洞的引力波信號與廣義相對論中對雙黑洞旋近、併合以及併合後的黑洞會發生衰盪（英語：ringdown）的理論預測相符。同時GW150914也是人類對雙黑洞併合的首度觀測，展示了雙黑洞系統確實存在，且其併合在宇宙的目前階段仍能發生。[1][2][3][4][5][6][7][8][9]信號名稱GW150914的意義為「重力波2015年9月14日」，GW是重力波"Gravitational Wave"，150914是發現日期。[1][5]

對於引力波的實驗探尋已經超過了50年。其與物質間的作用十分微弱，以致愛因斯坦本人都懷疑其是否能被探測到。此次探測到的引力波所造成的時空變化相對於LIGO探測器的一個干涉臂而言，相當於頭髮絲的寬度之於地球與太陽外最近恆星的距離。然而在併合最後階段，等價於約3倍太陽質量的能量在不到1秒的時間內以引力波的形式釋出，瞬時功率非常巨大，大於可觀測宇宙中所有星體發光功率總和。[4][10][11][12]

此次探測驗證了廣義相對論最後一項未被證實的理論預測，同時開啟了引力波天文學的新紀元。引力波就此作為一種粒子和電磁波之外的新的探針，將被用於探測過去未能探測到的天體現象，如中子星的誕生、演化以及衰亡以及宇宙誕生之初的圖景。[1][13][14][15][16][17]

探測背景

產生GW150914的雙黑洞系統在其旋近的最後階段、併合及衰盪所引起的時空彎曲的模擬視頻。[18]

理論基礎

主條目：廣義相對論、引力波和黑洞

引力波最早是由阿爾伯特·愛因斯坦於1916年基於廣義相對論預言存在的[19][20][21]。在廣義相對論中，引力被解釋為時空發生彎曲的結果，而宇宙中發生的天文現象會引起從波源向外以光速傳播的時空「漣漪」，引力波。不過由於萬有引力相對於電磁作用等其他基本相互作用而言非常微弱，所以從技術上來說，引力波非常難以探測。[22]理論上，做軌道運動的系統都會向外以引力波形式釋出能量，但在絕大多數情況下，這樣釋出的能量的探測難度遠高於目前探測水平[23]。儘管仍然十分微弱，雙星系統或雙黑洞的旋近以及最終的併合是一種可以嘗試去探測的情形。在這些情形中，系統中的物體的速度會非常大，它們質量中將有相當的一部分將在非常短的時間轉化為能量以引力波形式釋出。其中可探測到的能量在目前探測能力所能及的範圍之內。[1][4]

同時，卡爾·史瓦西以及羅伊·克爾等人提出的黑洞的相關理論，以及自20世紀70年代發展起來的一系列有關黑洞的數值計算方法在此次探測中也發揮了重要的作用。[1]

LIGO的發展

LIGO位於漢福德區的探測器的北側干涉臂
主條目：引力波天文學和LIGO

1974年，拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒發現赫爾斯－泰勒脈衝雙星在互相公轉時逐漸靠近，從而間接證明引力波的存在[4][24][25]。二人因此摘得1993年的諾貝爾物理學獎[26]。這項發現以及隨之湧現的一系列天體物理學新的理解，令科學家認識到對於引力波的直接探測將是研究相對論性系統以及在強引力場情形中驗證廣義相對論的一種方法[1]。

探測到GW150914的激光干涉引力波天文台（LIGO）是由加州理工學院的基普·索恩及麻省理工學院的萊納·魏斯等人於1992年發起的。截至2016年2月，全世界範圍內已有1000餘位科學家參與了LIGO科學合作項目（英語：LIGO Scientific Collaboration）[27]。在GW150914被探測到時，LIGO運轉着兩架引力波探測器：一架位於路易斯安那州利文斯頓（30°33′46.42″N 90°46′27.27″W / 30.5628944°N 90.7742417°W / 30.5628944; -90.7742417），另一架則位於華盛頓州的漢福德區（46°27′18.52″N 119°24′27.56″W / 46.4551444°N 119.4076556°W / 46.4551444; -119.4076556），兩地相隔3002 km。兩架探測器的運行原理與邁克爾遜干涉儀相仿。它們在2002年至2010年期間沒有探測到任何引力波信號。隨後，該計劃進行多年的修整，兩架探測器也得到提升。[28]兩架探測器於2015年2月進入工程模式[29]，並於同年9月進入第一觀測階段[30][b]。

在LIGO的發展和觀測過程中，一直存在着用以考察研究者辨識信號能力的「盲注入信號」。為了保障這種測驗的有效性，只有四個科學家知道這種信號會在何時注入。相關信息在這些信號經過徹底分析後才會告知給研究者[32]。然而，在2015年9月進行的探測中，並沒有進行這種測驗[33]。

GW150914的探測

探測過程

LIGO位於漢福德區（H1）及利文斯頓（L1）的兩架探測器情況簡圖：左上為探測器大致位置及朝向，中間為探測器結構簡圖，右上為探測器應變噪聲情況。[1]

以其被探測到的日期命名的引力波現象GW150914由LIGO位於漢福德區及利文斯頓的兩架探測器於2015年9月14日的09:50:45（UTC）探測到。該信號來自南半天球。引力波源的大致方向與麥哲倫雲相同，但距離要遠得多。[4]該信號持續了超過0.2秒，頻率在八個周期內由35Hz增至250 Hz[1][10]。這個信號被研究人員描述為鳥的「啁啾」[4]。在數據獲取的3分鐘內，研究人員採用低延遲搜索方法對數據進行了快速初始分析[10]。這個結果首先由當時身處德國的意大利博士後馬可·德拉戈（英語：Marco Drago）發現。他起初並不認為這個信號是真實的[32]，而他的上司布魯斯·埃倫（英語：Bruce Allen (physicist)）開始時認為該信號是個注入信號[4]。德拉戈將這一情況通知給了LIGO，並得到確認該信號並非注入信號[32]。

在對信號經過更為細緻的統計分析，並對自9月12日至10月20日中16天的數據也進行分析後，研究人員確認GW150914為真實的引力波現象，顯著性超過5.1σ，置信水平為99.99994%[34]。依據理論預測，引力波的傳播速度為光速。位於利文斯頓的探測器比位於漢福德區的探測器早7毫秒發現信號，這與光在兩地間傳播時間相同。在被探測到時，該束引力波應已在宇宙空間中傳播超過了十億年。[1][10]

在GW150914被探測到時，位於意大利比薩附近的處女座干涉儀（Virgo）引力波探測器處於下線狀態，並正進行升級。如果它處於上線狀態，其靈敏度也足以發現這個信號[4]。而位於德國漢諾威附近的GEO600（英語：GEO600）探測器的靈敏度可能並不夠[1]。基於上述原因，上述兩個探測器沒能驗證LIGO的探測結果[4]。

波源情況

對引力波信號及黑洞併合的分階段分析[1]

依據信號的幅值，該現象發生在與地球的光度距離約410+160
−180百萬秒差距或13±6億光年的位置[1][35][4]，相應的紅移為0.09+0.03
−0.04，置信區間為90%。依據對紅移數據的分析，該引力波是由兩個質量分別為36+5
−4倍太陽質量和29±4倍太陽質量的黑洞併合放出的，而併合後的黑洞的質量為太陽的62±4倍。其間減少的3.0±0.5倍太陽質量的能量以引力波形式釋出，符合質能等價。引力波輻射的峰值功率為3.6×1049W，是可觀測宇宙所有可見光源功率總和的10倍多[c]，約為普朗克功率的0.1%。[4][10]

在可探測信號持續的0.2秒內，黑洞間相對切向速度由光速的30%增至60%。它們的軌道運動頻率為75Hz，約為引力波頻率的一半。由此可以得出，在兩個黑洞併合前，它們的距離僅為350km。這一相對極小的軌道半徑意味着所觀測的系統只能是黑洞。已知的系統中，沒有其他系統的質量能夠讓其在併合前以如此小的半徑做軌道運動。黑洞-中子星的軌道運動頻率在併合前會更低。已觀測到的中子星中，質量最大的中子星的質量為太陽2倍。穩定中子星的質量上限為3倍太陽質量，因而中子星對的質量並不足以形成GW150914中的併合情形，除非它們是夸克星這樣的怪異天體。[1][10][35]

引力波在高峰後衰減振盪，黑洞也隨之進入併合的最終階段。儘管後牛頓力學近似方法已經可以給出旋近運動的較為完善的描述，但強引力場併合階段只能通過大尺度相對論數值模擬（英語：numerical relativity）得到普遍解。[1]

併合後得到的黑洞是一個轉動的克爾黑洞。其自轉參數為0.67，即其角動量為對應於質量的最大取值的2/3。[10][36]

發生位置

引力波探測器是全天監測器，並不能解析出信號的空間信息。引力波產生的位置的重建需要一個探測器網絡。由於只有LIGO的兩個探測器探測到該信號，因而GW150914的引力波源只能被確定處於一個環形區域內。這是由對6.9+0.5
−0.4ms的時間延遲進行分析得到的，同時還要考慮兩個探測器間的幅值以及相位的一致性。通過這一分析可以得到大小約為140 deg2（50%概率）或590 deg2（90%概率）的可信區域。[35]

同時段相關探測

研究人員對於估計引力波產生的發生區域附近與引力波同時產生的無線電波、紅外、可見光、X射線、γ射線等波段的電磁波以及中微子進行了後續探測[35]。

中微子

對於中微子的探尋是由ANTARES（英語：ANTARES (telescope)）探測器及IceCube微中子觀測站合作進行的。ANTARES探測器在GW150914前後500秒內沒有探測到可能的目標中微子，IceCube觀測站則探測到了3個：一個是在南半天球找到的，另外兩個則在北半天球。這與背景探測層次的預期相符。但這三個中微子中並沒有一個產生於併合現象發生的90%置信區域內。[37]

伽馬射線暴

費米伽瑪射線空間望遠鏡的伽馬射線暴監視系統在GW150914被檢測到0.4秒後於其預估發生區域附近檢測到一個強度約為50 keV的弱伽馬射線暴。相關研究人員人員認為二者存在相關性，誤報率為0.0022。如果二者確實相關的話，那麼GW150914發生位置的90%信度區域大小則可降至199 deg2。[38]依據國際伽瑪射線天體物理實驗室的全天反符合屏蔽光譜儀的觀測結果，以伽馬射線及硬X射線形式釋出的能量不到以引力波形式釋出的百萬分之一。這一上限一定程度上排除了引力波與伽馬射線暴之間的相關性。[39]

依據目前對於黑洞併合的研究，在產生GW150914的雙黑洞併合產生引力波時可能確實不會同時產生伽馬射線暴，因為恆星質量雙黑洞並不具有吸積盤。哈佛大學教授亞伯拉罕·勒布則試圖通過另一種方式解釋此次現象，以解釋伽馬射線暴的產生。他認為伽馬射線暴的產生可能是由於此次黑洞併合發生在體量更大的母星中。一個高速自轉大質量恆星在其坍縮時所產生的離心力所產生的旋轉軸會令其變形為啞鈴型，進而分裂為雙黑洞。在這顆恆星坍縮過程的末尾會觸發伽馬射線暴。而之所以會存在0.4秒的延遲則是因為伽馬射線暴在恆星星體中的傳播速度較引力波傳播速度稍慢。[40][41][42][43]

其他波段電磁波

雨燕衛星在引力波被探測到兩天後對臨近估計位置的星系進行了觀測，並沒有探測到可見光、紫外線以及X射線波段的電磁波[44]。

結果發表

2016年2月11日，LIGO的執行主任大衛·萊茲（英語：David Reitze）與加布里埃拉·岡薩雷斯（英語：Gabriela González）、萊納·魏斯以及基普·索恩等LIGO委員會成員，和NSF的主管弗朗絲·柯多瓦（英語：France A. Córdova）於華盛頓特區舉行的新聞發布會上宣布了探測結果[4][6]。同日，巴里·巴里什在位於瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心總部向物理學界宣講了這一發現[45]。

在結果正式宣布前即有引力波被探測到的傳聞。這些傳聞來源自勞倫斯·克勞斯於2015年9月25日發表的推文[33]。有關探測結果的論文同日發表於該周的《物理評論快報》[1]，而有關探測結果的進一步分析的論文則隨後很快發表在《天文物理期刊》[14]等期刊中[4]，或者立即以預印本形式發表[46]。

公認與獎賞

2016年5月，全體研究團隊，特別是計畫創始者朗納·德瑞福、基普·索恩、萊納·魏斯，由於探測到引力波，共同榮獲基礎物理學特別突破獎與獎金3百萬美金。[47]他們還獲得了格魯柏宇宙獎（英語：Gruber Prize in Cosmology）。[48]

對基礎物理學的影響

對於產生GW150914的雙黑洞附近的觀察者在系統旋近最後階段、併合以及衰盪時所觀察到的景象的計算機模擬。由於極端的引力透鏡效應，黑洞後的星空景象會隨着時空彎曲也產生相當大的扭曲，並且看起來像是在旋轉、移動。[18]

強引力場中廣義相對論的驗證

參見：廣義相對論的實驗驗證

併合後黑洞的基本性質，質量與自轉，及併合前的兩個黑洞的情況與廣義相對論的理論預測相符。這是首次在強引力場中對廣義相對論進行實驗驗證，沒有出現違背廣義相對論理論預測的探測數據。[13][1]

然而此次探測到的信號並不能用來研究更為複雜的廣義相對論相互作用，例如從引力波間相互作用中產生的尾波以及彎曲的時空背景。這個信號儘管相對較強，但仍遠弱於雙脈衝星系統產生的信號。探索引力波間錯綜複雜的相互作用以及改進對廣義相對論偏差的約束需要更為靈敏的探測器以及強度更大的信號。[13]

降低引力子質量上限

主條目：引力子

依據廣義相對論的理論預測，引力波的傳播速度（vg）與光速（c）相等。基於這一關係，量子引力理論中引力子的性質的一些參數則可以被確定。引力子是量子引力理論中一種的假想基本粒子，是引力的載力子（英語：Force carrier）。由於引力作用範圍無窮大，因而其質量為零[d]。如果引力子質量非零，那麼引力波的傳播速度就會比光速小，且頻率（ƒ）較低的引力波的傳播得會比頻率較高的引力波慢，進一步出現引力波的色散現象。[13]此次觀測到的引力波並沒有發生色散[13][36]。依據旋近階段的觀測結果，引力子的質量上限被降低至2.16×10−58 kg，約為1.2×10−22 eV/c2。對應的康普頓波長（λg）大於1×1013 km，約為1光年。[1][13]依據觀測到的頻率下限35 Hz，1-vg /c則可確定約為4×10−19[e]。這一結果可以用來確定vg的下限。[13]

對天文學的影響

有關恆星演化及雙星系統的結果

併合前的兩個黑洞的質量帶來有關恆星演化的新信息。依據X射線聯星探測結果，兩個黑洞的質量都遠大於之前所發現的恆星黑洞。這意味着來自它們前身星的星風相對較弱，因而其金屬量，即氫、氦外元素質量占比，不到太陽的一半。[14]

併合前黑洞為雙星系統的情況，以及這個系統能夠在宇宙壽命內完成併合，對取決於雙黑洞系統形成情況的雙星演化或恆星動力學情況構成約束。恆星黑洞的初始衝擊，即黑洞在其從II型超新星產生時所獲取的速度，並不總是很高，否則形成黑洞的超新星聯星會發生瓦解。球狀星團中的黑洞的速度會超過星團的逃逸速度，然後由於動力學相互作用不再形成雙星。[14]

併合現象的發現提高了這種現象的發生比例下限，此前有關的理論模型給出的比例值小於1 Gpc-3yr-1[1][14]。由對此次的探測結果的分析可以得到類似於GW150914的現象的發生比例在~140 Gpc-3yr-1至17+39
−13 Gpc-3yr-1之間[8]。

引力波在之後的宇宙學觀測中的應用

GW150914的探測開啟了引力波天文學的新紀元。在此次探測前，天體物理學家以及宇宙學家的對於天體的觀測基於可見光、X射線、微波與無線電波這樣的電磁輻射以及宇宙射線、星風以及中微子這樣的粒子。這些手段具有明顯的局限性。許多物質都不能放出輻射，而這些輻射在傳播過程中也會受到其他系統的阻礙：星系以及星雲可能吸收或改變它們內部或進入其內部的光。而對於緻密星與部分的奇特星這樣的天體，它們可能包含不參與電磁相互作用的物質，除了通過引力作用外可能並沒有能探測到它們的手段。[49][50]

對於由黑洞併合產生的引力波的波形及幅值的測量可以用來精確確定該現象發生位置與地球間的距離。隨着黑洞併合觀測數據的累積，物理學家可以更為精準地描述宇宙膨脹及影響該過程的暗能量的性質。[51][52]

早期宇宙存在一個內部能量非常高的時代。這個時期的宇宙中的物質大多以離子態的形式存在，其中的光子會受到自由電子的散射，因而這個時期的宇宙並不像目前這樣「透明」。[53]

人類在掌握直接探測引力波的能力後就可以將它作為天體探測的新手段。相對於光而言，引力波在時空中傳播所受到的阻礙較少，而不發光的物質卻依然具有引力作用。早期宇宙的不透明性似乎並不會對於那時產生的引力波造成太大的影響。如果這些引力波能被探測到的話，那麼它們將提供一個觀測宇宙產生之初的圖景的一個視角。同時，那些不會產生光等電磁輻射或者會造成光過度扭曲的天文現象，如黑洞併合等，在發生時也會產生引力波。對於引力波的直接觀測可以實現對於這些目前尚不可觀測的天文現象的觀測。[1][13][14][15][16]

進一步的引力波探測

激光干涉空間天線開路者號模型圖
主條目：引力波探測器

GW150914具有較高的顯著性：在誤差率為8%時，一個世紀中顯著性大於GW150914的探測結果將非常罕見。儘管如此，此次探測仍被推測是經過改進的LIGO探測器在其運行第一年中所能得到的探測結果中的第一個。2016年6月15日，LIGO團隊宣布，第二次直接探測到重力波。[54]預計未來每年將會有5個GW150914這樣的黑洞併合現象以及40個雙星併合現象被探測到。除此之外，還有尚不知道具體數量的其他引力波源也將被探測到，其中的一些可能是目前的理論尚未預測到的。[5]在將信噪比提高兩倍，並將體積擴大後，類似GW150914的現象被發現概率可以大幅增長。此外，經過提升的處女座干涉儀（Virgo）探測器，KAGRA，以及位於印度的LIGO第三個探測器將改善探測器網絡建設情況，並改善位置信息重建以及信號源參數的估計情況。[1]耗資十餘億美元的愛因斯坦望遠鏡也將於21世紀20年代後期正式投入運行[55]。

已預定發射的激光干涉空間天線（eLISA）可以在宇宙空間中探測引力波。像產生GW150914的雙黑洞這樣的大質量雙星系統在其併合前1000年的演化過程中所放出的引力波在eLISA感知範圍內。如果它們與地球的距離在10百萬秒差距內，那麼它們將是一種前所未知的引力波源。[14]eLISA的先導衛星，激光干涉空間天線開路者號，已於2015年12月升空[55]。

原初黑洞

經過詳細分析數據，學者估算，這事件所涉及到的兩個黑洞，其質量皆大於25個太陽質量，大於通常由恆星滅亡產生的一般黑洞，因此，學者推測LIGO很可能探測到由暗物質形成的原初黑洞。[56][57]

參見

注釋

  1. ^ GW150914是由LIGO位於漢福德（H1）及利文斯頓（L1）的兩架干涉儀於2015年9月14日探測到的。圖中的時間相對於該日的09:50:45（UTC）。第一行的兩幅圖為兩架干涉儀的實驗探測曲線。第二行的兩幅圖中的實線為利用從GW150914探測結果中獲取的參數對系統進行相對論數值計算而得的曲線，深灰線為利用雙黑洞模型的擬合結果，淺灰線為利用正弦高斯波包進行線性疊加的擬合結果；這些曲線的交疊度達到94%。第三行的兩幅圖為實驗曲線減去相對論數值計算曲線後的殘值情況。最下一行的兩幅圖為探測結果的時間-頻率表示，展示了信號頻率隨時間的變化情況。[1]
  2. ^ 兩架探測器實際上在9月18日才正式開始用於科學研究。也就是說，在GW150914被探測到時，兩架探測器還處於工程模式。[31]
  3. ^ 依據基普·索恩的意見是50倍多。[11]
  4. ^ 規範玻色子的質量越大，其所對應的相互作用的作用也就越短，反之亦然。例如，光可以傳播無限遠，對應的光子的質量即為零。如果引力子確實是有關引力場的量子理論中的規範玻色子，那麼由於引力作用範圍無窮大，目前仍是假想模型的引力子的質量就應該為零。
  5. ^ 基於。[13]

參考文獻

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