來自遠古時空的漣漪：你好，GW151226引力波信號

雷鋒網(wǎng)按：本文來自知社學術圈，作者為LIGO科學合作組織成員范錫龍博士。

世界協(xié)調(diào)時間2015 年12 月26 日凌晨3 點38 分53 秒，科學家們第二次觀測到引力波——時空的漣漪。兩個別為14.2 和7.5 倍太陽質(zhì)量的黑洞相互繞轉(zhuǎn)并合，其中至少有一個黑洞有自旋。最后并合生成的黑洞有20.8 倍太陽質(zhì)量，具有自旋。

這次引力波信號探測所用的技術原理是“匹配濾波”。雖然技術原理非常普通，但是具體處理方法經(jīng)過很多優(yōu)化，整套程序是LVC開發(fā)的，實時處理數(shù)據(jù)：這次信號在到達探測器70秒后就被發(fā)現(xiàn)了。

2016 年6 月15 日，激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）科學合作組織與Virgo科學合作組織在圣地亞哥舉行的美國天文學會第228次會議上正式宣布，在高新LIGO 探測器的數(shù)據(jù)中確認了又一起引力波事件GW151226：世界協(xié)調(diào)時間2015 年12 月26 日凌晨3 點38 分53 秒，科學家們第二次觀測到引力波——時空的漣漪。兩個別為14.2 和7.5 倍太陽質(zhì)量的黑洞相互繞轉(zhuǎn)并合，其中至少有一個黑洞有自旋。最后并合生成的黑洞有20.8 倍太陽質(zhì)量，具有自旋。大約14 億年前的并合過程中大約有1 個太陽質(zhì)量的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成了引力波。這次雙黑洞繞轉(zhuǎn)并合引力波信號GW151226由分別位于美國路易斯安那州列文斯頓（Livingston, Louisiana）和華盛頓州漢福德（Hanford, Washington）的一對LIGO 探測器探測到。

 雙黑洞族群的存在！

既然在天文學會上宣布，那就是意味著我們可以遵循“天文學傳統(tǒng)”：兩個事件就是一個族群了！所以我們終于可以說我們發(fā)現(xiàn)了雙黑洞的族群：）以后能用于描述族群的科學語言，例如某些物理量的分布，子族群的比例等等就可以“光明正大”的報告了。而且人多力量大啊！運用族群的信息可以更好的回答一些更深層次的問題，比如推算宇宙的狀態(tài)方程。

Gabriela González, LIGO Scientific Collaboration spokesperson, Louisiana State University

｜新的引力波發(fā)現(xiàn)方法

在噪聲中發(fā)現(xiàn)信號，可以類比在雞群中發(fā)現(xiàn)仙鶴。上次的引力波信號GW150914很強（信噪比24），做較少的數(shù)據(jù)處理后可以用眼睛看到。這就好像是在一群雞里面一下子看到了一個成年的仙鶴。這次的引力波信號GW151226比較弱（信噪比13），就像是在一群雞中找一下體型和雞差不多的小仙鶴，后果就是光看個頭是不行了, 所以最先發(fā)現(xiàn)GW150914的那套技術這次就沒有發(fā)現(xiàn)這個信號。對于這種弱信號，需要更全面的對比細節(jié)特征（類比于仔細對比從頭到腳外的細節(jié)外加生活習慣.......），所用的技術原理是“匹配濾波”。雖然技術原理非常普通，但是具體處理方法經(jīng)過很多優(yōu)化，整套程序是LVC開發(fā)的，實時處理數(shù)據(jù)：這次信號在到達探測器70秒后就被發(fā)現(xiàn)了！

｜一定是個引力波信號

雖然信號比較弱，這次信號致信度還是高于5 sigma。這說明雖然體型小，但是一只小仙鶴還是和其它雞有顯著的不同。其實是不是“鶴立雞群”（高致信度），還取決于有多少雞，這些雞偽裝的好不好，并且其他的鶴是不是配合！你看下圖如果僅僅把第一次GW150914作為信號去掉，置信度就比把所有的“鶴候選體”（search results）去掉要低了那么一點點了吧？

Fulvio Ricci, Virgo spokesperson, INFN & Sapienza University of Rome

｜更精準的測量與更多信息

這次觀測到的GW151226信號持續(xù)時間（～1s）比GW150914（～0.2s）長，觀測到GW151226頻率從35赫茲增加到450赫茲，而GW150914是從35赫茲增加到250赫茲。 這就意味著GW151226的頻率或者相互繞轉(zhuǎn)軌道周期變化更慢，觀測到的雙星繞轉(zhuǎn)圈數(shù)更多，因此軌道周期變化測量的更準，這樣我們就可以更好的估算“chirp”質(zhì)量。另外，單個黑洞自旋平行于雙星繞轉(zhuǎn)軌道方向的分量影響雙星繞轉(zhuǎn)周期變化速率：雙黑洞總自旋平行（反平行）于軌道繞旋方向的分量會減緩（增快）周期變化。我們這次確信雙黑洞中至少有一個黑洞有自旋！自旋垂直于軌道繞旋方向的分量會改變軌道平面（所謂的進動）。但是GW151226信號比較弱，看不出有沒有軌道平面角度變化等細節(jié)，最后的并合過程觀測的也不清楚，所以，雙黑洞質(zhì)量比，更多雙黑洞自旋細節(jié)就都沒有得到很好的限制。

David Reitze, Executive Director of LIGO, Caltech

｜ 為什么雙黑洞自旋很重要？

從天文學的角度說，雙黑洞的自旋方向提供了一個很好區(qū)分雙黑洞形成機制的信息。目前科學家認為雙黑洞形成有兩種基本的渠道：孤立的雙星演化和動力學捕捉。動力學捕捉的情況下，雙黑洞各自的自旋的方向就不一定和繞轉(zhuǎn)軌道的方向有什么關系。而孤立雙星演化生成的雙黑洞一般來說各自的自旋方向和軌道繞轉(zhuǎn)方向相同或者相反。當然，對于一些立志要在理論物理方向有所突破的有志青年們來說，我們期望看到超過現(xiàn)有理論限制的黑洞自旋的上限（黑洞轉(zhuǎn)的太快也會把自己轉(zhuǎn)散的！）。可惜我們還得再等等。順便說一句，這次還是沒有發(fā)現(xiàn)任何與愛因斯坦廣義相對論預言偏離的證據(jù)。

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