诺奖热门引力波事件，观测到黑洞融合，探测精度提升10倍

在距离诺贝尔奖揭晓不到一周的时间点，曾被视作摘奖热门的引力波发现又取得了突破性的进展，美国的两处 LIGO（激光干涉引力波天文台） 和欧洲的 Virgo 天文台联合宣布，他们又一次探测到了由两个黑洞融合形成的引力波 （Gravitational waves）。而除了新发现之外，本次进展最大的亮点在于通过三点定位原理观测引力波的方法要比以往的观测手段在精度上提升 10 倍。

图丨黑洞融合

作为由美国国家自然科学基金会所资助的科研项目，两座激光干涉引力波天文台（Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory, LIGO）分别部署于相距 3000 公里的美国南海岸 Livingston 和美国西北海岸 Hanford，其是借助于激光干涉仪来完成对引力波的探测。

目前，人类已经分别在 2015 年 9 月、2015 年 12 月和 2017 年 1 月 4 日完成了三次引力波的观测，而今天的这次探测则是第四次。不过，与前三次所不同的是，这一次的探测中多了一个新的面孔——位于意大利的 Virgo 观测台。

图丨意大利的 Virgo 观测台

今年 8 月 14 日，Virgo 第一次监测到了由十多亿光年外的双黑洞融合所产生的引力波信号，这也是位于美国和意大利的三处天文台首次同时观测到这种黑洞融合现象。有关这次发现引力波的论文已经提交至《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

那么三处天文台同时发现引力波意味着什么？其实可以简单的和三角定位法做类比，由于三处天文台接收到信号的存在时间差，它们同时探测到引力波将有助于更好的为定位信号的来源。

其实 GPS 卫星在精准定位地球上的位置是也采用了类似的三角定位原理。“这次探测引力波的精度远高于前三次！”意大利 Virgo 天文台发言人 Jo van den Brand 表示。

图丨Virgo观测台的扫描范围

了解引力波信号来源对后续观测具有非常重要的意义。因为传统的光学及无线电天文望远镜经常会随机对着茫茫苍穹发射信号，但如果观测方位相对明确，这类望远镜可在发现引力波后的第一时间对准信号来源的方向进行观测。当然，由于引力波是由黑洞融合所产生的宇宙涟漪，并不会产生任何形态的光，所以对于引力波观测来说，传统天文望远镜可能并没有太大作用。

但如果将来的某一天，三座天文台同时观测到了双星融合，而非黑洞融合现象，那么传统天文台就可以根据大致定位方向进行进一步观测了。“随着 Virgo 的加入，我们进入了一个『多信息天文学』（multi-messenger astronomy）的全新时代，”LIGO 团队研究员、卡迪夫大学物理学家 Bangalore Sathyaprakash 表示。“这为我们的研究打开了一个全新的方向。”

图丨LIGO 团队研究员、卡迪夫大学物理学家 Bangalore Sathyaprakash

的确，从人类首次探测到引力波后，该领域相关研究已经往前迈进了一大步，并进入了全新阶段。众所周知，引力波是爱因斯坦广义相对论最后一块未解之谜。二十世纪初爱因斯坦提出广义相对论后，时空的概念也颠覆了大多数人的物理常识。

广义相对论认为，大到天体，小到人类本身，在它们运动时，都会使周围的时空产生涟漪。这是很容易理解的一个概念，就像船在水中移动时会产生水波。只是在发现引力波之前，这一理论还从未被验证过。

然而，要观测到引力波——这种在宇宙中扩散的涟漪——是一项异常艰难的任务。打个比方，如果要在地球上探测某人运动时周围产生的时空扭曲，基本上是不可能的，因为这种时空扰动太小太小了。

这就是为什么科学家们创造了 LIGO 和 Virgo 这类引力波观测天文台，并通过其观察百万、甚至数亿光年外巨大天体快速运动时所产生的强力扰动，比如黑洞或中子星融合。这类天体在融合时，每秒会进行相互环绕的多次旋转，并最终融合为一个质量极大的全新天体。与此同时，天体运动和碰撞时所产生的时空扭曲，会表现为引力波形式，并以光速向宇宙的四面八方传播开去。

在抵达地球的过程中，这些波会显著衰减，不过，通过使用类似 LIGO 和 Virgo 这样最敏感的仪器，我们仍然有希望检测到它们。LIGO 装置的大致原理是两条长度相同的探测臂呈 L 型放置，而在两臂的末端放置一面镜子来反射激光。将激光发射到每个镜子上的分裂激光器则位于两个隧道相交处。

在正常情况下，两条长臂应该是完全等长的，因此激光束在两条长臂中传播所花费的时间是一样的。然而一旦有引力波穿过探测器，时空的扭曲会导致一个方向上的长臂长度就会被压缩，而在另一个方向上的长臂则会被拉伸，从而导致两束激光束传播的时间长度出现差异，当它们反射回来并汇合时，就会出现干涉条纹。

图丨Virgo观测台工作原理

科学家们通过这种干涉效应来测量长臂所出现的任何极其细微的空间变化。当然，这样的长度变化将是极其细微的——LIGO 装置必须能够测出相当于一个质子直径万分之一不到的长度变化，才可能检测到引力波信号。

LIGO 的观测能力较好，迄今为止已经完成了 3 次观测。而 Virgo 的敏感度则略低于 LIGO。他们于今年 8 月 1 日开始进行观察，并在 8 月 14 日观测到黑洞融合事件。此次融合中，一个黑洞质量约为太阳的 31 倍，另一个则是 25 倍，在距离 18 亿光年的地方彼此环绕旋转。研究表示，这两个黑洞最终融合成了一个约为太阳质量 53 倍的黑洞。

双黑洞环绕旋转，并最终融合

这些黑洞实际上是极其巨大的——远超 LIGO 科学家在最初寻找引力波时的预期。但是，直到第三次发现的融合事件，科学家才察觉这些黑洞的质量是如此之大。“黑洞似乎普遍都是这么巨大，而且我们也很快就摸清了它们融合的节奏。”Sathyaprakash 说。

现在，有了新的观测台的加入，三个观测站能够更精确地定位黑洞的位置，这比仅靠两个 LIGO 天文台时的准确度高了 10 倍以上。当然，这三个观测台并不仅仅是能让天文学家更好地找到这些信号发出的位置，它们还能更好帮助研究人员更精确地测量引力波穿越时空时伸展和压缩的角度。这些信息能够帮助科学家们发现更多带来引力波信号的物体的信息：比如当它们相互旋转时，它们相对于地球的倾斜程度如何。

而在最新发现的第四次融合事件中，天文学界急切地想要了解 LIGO 是否观测到了中子星融合（也许是一个中子星和黑洞的融合事件）。但是现在，LIGO 的科学家们并未发表相关言论。Sathyaprakash 说：“我们准备在合适的时间公开相关事宜”，他指出，他们仍在审查收集到的数据。

图丨位于美国 Hanford 和 Livinsgton 的LIGO，以及位于意大利的 Virgo天文台

与此同时，这三个观测台正在从“扫描宇宙”的重任中抽身“休息”。在停机期间，Virgo 和 LIGO 的科学家们将努力提高观测站的灵敏度。LIGO 和 Virgo 也将在 2018 年秋天开始新的观测，一旦这些观测活动开始进行，天文学家们将有望观测到更多的引力波现象。Sathyaprakash 说：“随着进一步的改进，我想我们每年都有机会检测到这些事件，那将会令人十分兴奋。”

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