双黑洞, 你们好: 人类再次探测到引力波!

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北京时间今天凌晨，LIGO科学合作组织正式宣布，在世界协调时间2015 年12 月26 日凌晨3 点38 分53 秒，科学家们第二次观测到引力波，来自远古时空的涟漪。知社邀请LIGO科学合作组织成员范锡龙博士，为您深度解读。

2016 年6 月15 日，激光干涉仪引力波天文台（LIGO）科学合作组织与Virgo科学合作组织在圣地亚哥举行的美国天文学会第228次会议上正式宣布，在高新LIGO 探测器的数据中确认了又一起引力波事件GW151226：世界协调时间2015 年12 月26 日凌晨3 点38 分53 秒，科学家们第二次观测到引力波——时空的涟漪。两个别为14.2 和7.5 倍太阳质量的黑洞相互绕转并合，其中至少有一个黑洞有自旋。最后并合生成的黑洞有20.8 倍太阳质量，具有自旋。大约14 亿年前的并合过程中大约有1 个太阳质量的物质转化成了引力波。这次双黑洞绕转并合引力波信号GW151226由分别位于美国路易斯安那州列文斯顿（Livingston, Louisiana）和华盛顿州汉福德（Hanford, Washington）的一对LIGO 探测器探测到。

 双黑洞族群的存在！

既然在天文学会上宣布，那就是意味着我们可以遵循“天文学传统”：两个事件就是一个族群了！所以我们终于可以说我们发现了双黑洞的族群：）以后能用于描述族群的科学语言，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”的报告了。而且人多力量大啊！运用族群的信息可以更好的回答一些更深层次的问题，比如推算宇宙的状态方程。

Gabriela González, LIGO Scientific Collaboration spokesperson, Louisiana State University

新的发现方法！

在噪声中发现信号，可以类比在鸡群中发现仙鹤。上次的引力波信号GW150914很强（信噪比24），做较少的数据处理后可以用眼睛看到。这就好像是在一群鸡里面一下子看到了一个成年的仙鹤。这次的引力波信号GW151226比较弱（信噪比13），就像是在一群鸡中找一下体型和鸡差不多的小仙鹤，后果就是光看个头是不行了, 所以最先发现GW150914的那套技术这次就没有发现这个信号。对于这种弱信号，需要更全面的对比细节特征（类比于仔细对比从头到脚外的细节外加生活习惯。。。），所用的技术原理是“匹配滤波”。虽然技术原理非常普通，但是具体处理方法经过很多优化，整套程序是LVC开发的，实时处理数据：这次信号在到达探测器70秒后就被发现了！

一定是个引力波信号！

虽然信号比较弱，这次信号致信度还是高于5 sigma。这说明虽然体型小，但是一只小仙鹤还是和其它鸡有显著的不同。其实是不是“鹤立鸡群”（高致信度），还取决于有多少鸡，这些鸡伪装的好不好，并且其他的鹤是不是配合！你看下图如果仅仅把第一次GW150914作为信号去掉，置信度就比把所有的“鹤候选体”（search results）去掉要低了那么一点点了吧？

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

更精准的测量与更多信息

这次观测到的GW151226信号持续时间（～1s）比GW150914（～0.2s）长，观测到GW151226频率从35赫兹增加到450赫兹，而GW150914是从35赫兹增加到250赫兹。 这就意味着GW151226的频率或者相互绕转轨道周期变化更慢，观测到的双星绕转圈数更多，因此轨道周期变化测量的更准，这样我们就可以更好的估算“chirp”质量。另外，单个黑洞自旋平行于双星绕转轨道方向的分量影响双星绕转周期变化速率：双黑洞总自旋平行（反平行）于轨道绕旋方向的分量会减缓（增快）周期变化。我们这次确信双黑洞中至少有一个黑洞有自旋！自旋垂直于轨道绕旋方向的分量会改变轨道平面（所谓的进动）。但是GW151226信号比较弱，看不出有没有轨道平面角度变化等细节，最后的并合过程观测的也不清楚，所以，双黑洞质量比，更多双黑洞自旋细节就都没有得到很好的限制。

David Reitze, Executive Director of LIGO, Caltech

为什么双黑洞自旋很重要？

从天文学的角度说，双黑洞的自旋方向提供了一个很好区分双黑洞形成机制的信息。目前科学家认为双黑洞形成有两种基本的渠道：孤立的双星演化和动力学捕捉。动力学捕捉的情况下，双黑洞各自的自旋的方向就不一定和绕转轨道的方向有什么关系。而孤立双星演化生成的双黑洞一般来说各自的自旋方向和轨道绕转方向相同或者相反。当然，对于一些立志要在理论物理方向有所突破的有志青年们来说，我们期望看到超过现有理论限制的黑洞自旋的上限（黑洞转的太快也会把自己转散的！）。可惜我们还得再等等。顺便说一句，这次还是没有发现任何与爱因斯坦广义相对论预言偏离的证据。

扩展阅读

 

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