【引力波专题】论文推荐｜LIGO 再次捕捉到黑洞合并产生的引力波
LIGO 第二次探测到由黑洞合并产生的引力波，这表明类似的探测将很快成为日常，并成为一种新天文学的一部分。
撰文 菲利普·鲍尔（Philip Ball）
翻译 乔宇
审校 寒冬
派尔（T. Pyle）/LIGO
捕捉引力波。两个黑洞相互旋进并合并，发生出 LIGO 可以探测到的引力波。（动画见下。）LIGO 观测到的第二次事件源于 14 亿光年外两个分别为 8 倍和 14 倍太阳质量黑洞的合并。
去年 12 月，LIGO 第二次探测到引力波。国际 LIGO 和 Virgo 科学合作组织报道说，与今年 2 月份公布的第一次事件一样，引力波来自于两个黑洞的合并。不过这次的黑洞小一些，因此合并过程中可观测到的时间大约有 1 秒，比第一次事件长5倍。研究者称，在第一次事件证明 LIGO 可以工作后，第二次事件标志着引力波天文学时代的开始，类似的探测将成为日常，并提供关于宇宙的新信息。
LIGO 花费了十几年的时间，来达到完成第一次引力波探测所需的敏感度。引力波是爱因斯坦100年前提出的广义相对论所预言的时空的涟漪。去年 9 月 14 日，华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的 LIGO 探测器都探测到了第一次事件，该事件被解释为 13 亿光年外两个黑洞的合并。
如今，LIGO 和 Virgo 团队描述了去年 12 月 26 日上述两个探测器观测到的另一次信号。研究者预计，由背景噪声导致像被观测到的信号一样的错误巧合的概率低于每百万年一次。
团队计算得知，引力波来自于 14 亿光年外两个质量分别为 14 倍和 8 倍太阳质量的黑洞的合并。这两个质量值接近由传统上对绕普通恒星运动的黑洞的观测推算出的典型值，而第一次 LIGO 事件的黑洞要大不少，达到 29 倍和 36 倍太阳质量。
与前一次观测不同，新事件“不是从数据直接跳出来的，”来自威斯康星大学的 LIGO 团队成员萨拉·考迪尔（Sarah Caudill ）如是说。对数据的仔细过滤和分析才使这个事件逐渐清晰起来。LIGO 团队和欧洲 Virgo 合作组织合作进行这项数据分析工作，后者与意大利比比萨附近的 Virgo 引力波探测器有联系。
考迪尔说，第二次事件在其他几个重要方面与第一次事件不同。这次黑洞较小导致最后的绕转持续的时间不同，使得 LIGO 可以更多地观察黑洞合并前的最后阶段——新数据涉及 55 个绕转周期，上一次事件只有 10 个。而且联合分析这两次事件可以提供更精确的测试来寻找违背广义相对论的情况，尽管并没有发现这种违背，考迪尔说。
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“这是非常重要的发现，”伊利诺伊大学香槟分校的天体物理学家斯图尔特·夏皮罗（Stuart Shapiro）说，“它巩固了第一次探测的真实性，并使我们相信类似的探测会变得常见，以及我们确实开启了通向宇宙的一扇新窗。”
“第一次观测令人振奋的原因在于，它表明确实可以成功地进行这项极端困难的实验，”约翰霍普金斯大学的天体物理学家朱利安·克罗利克（Julian Krolik）说，“面对这次的新发现，人们的关注点从实验本身转到它能够教给我们的关于宇宙组成的知识。”
夏皮罗说，新结果最重要的方面或许就是，被探测到的引力波与广义相对论对强引力场的预言完全一致。在这两次 LIGO 事件之前，广义相对论的强引力场预言并没有被直接测试过。他说，“广义相对论再次经受住了最严苛的考验。”
Krolik 希望随着数据的积累，研究者更多地了解发射引力波系统成为可能。他说，“可以乐观地预测，近期会涌现出大量的新观点。”
考迪尔说，在 LIGO 结束于今年 1 月 19 日的第一个观测期内，还发现了另一个不到 100 倍太阳质量的候选黑洞双星系统，不过现在还在分析它。然而，团队继续在数据中筛选大的双星系统和其他的引力波源。
克罗利克认为 Virgo 很有可能很快就要探测到一个引力波事件。他说，来自第三个观测点的数据可以帮助我们在天空中更加精确地定位引力波源。在只有两个探测器的情况下，新的 LIGO 事件被溯源到 850 平方度的巨大天区。
这项研究发表于《物理评论快报》（）。
论文基本信息
【题目】 GW151226:Observation of Gravitational Waves from a 22-Solar-Mass Binary Black HoleCoalescence
【作者】 B. P.Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
【刊期】 Phys. Rev.Lett. 116, 241103
【日期】 Published 15June 2016
【doi】 http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.241103
【摘要】 We report theobservation of a gravitational-wave signal produced by the coalescence of twostellar-mass black holes. The signal, GW151226, was observed by the twindetectors of the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) onDecember 26, 2015 at 03:38:53 UTC. The signal was initially identified within70 s by an online matched-filter search targeting binary coalescences.Subsequent off-line analyses recovered GW151226 with a network signal-to-noiseratio of 13 and a significance greater than 5σ. The signal persisted inthe LIGO frequency band for approximately 1 s, increasing in frequency andamplitude over about 55 cycles from 35 to 450 Hz, and reached a peakgravitational strain of ×. The inferred source-frame initial black holemasses are M⊙ and M⊙, and the final black hole mass is M⊙.We find that at least one of the component black holes has spin greater than0.2. This source is located at a luminosity distanceof Mpc corresponding to a redshift of . All uncertaintiesdefine a 90% credible interval. This second gravitational-wave observationprovides improved constraints on stellar populations and on deviations fromgeneral relativity.
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