時(shí)隔四個(gè)月，人類第二次觀測(cè)到引力波——來(lái)自遠(yuǎn)古時(shí)空的漣漪。
2016年6月15日，激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）科學(xué)合作組織與Virgo科學(xué)合作組織在圣地亞哥舉行的美國(guó)天文學(xué)會(huì)第228次會(huì)議上正式宣布，在高新LIGO 探測(cè)器的數(shù)據(jù)中確認(rèn)了又一起引力波事件GW151226：世界協(xié)調(diào)時(shí)間2015年12月26日凌晨3點(diǎn)38分53秒，科學(xué)家們第二次觀測(cè)到引力波。
這次引力波事件由兩個(gè)分別為14.2 和7.5 倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞相互繞轉(zhuǎn)并合所引起，發(fā)生于14億光年外的宇宙深處，其中至少有一個(gè)黑洞有自旋。它們?cè)谙嗷キh(huán)繞的過(guò)程中由于引力輻射慢慢靠近，在最后的一秒鐘里，它們發(fā)生了并合，最后并合生成的黑洞有20.8 倍太陽(yáng)質(zhì)量，具有自旋。在這個(gè)過(guò)程中，大約有一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)以引力波的形式輻射到宇宙中去，引力波峰值強(qiáng)度比全宇宙電磁輻射的總強(qiáng)度還亮十倍以上。這次雙黑洞繞轉(zhuǎn)并合引力波信號(hào)GW151226分別由位于美國(guó)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(duì)LIGO 探測(cè)器探測(cè)到。
這一事件是在第一個(gè)完整的觀測(cè)季節(jié)（從2015年9月12日到2016年1月19日）共130天中捕捉到的。整個(gè)事件持續(xù)約1秒（30個(gè)周期），比今年2月科學(xué)家宣布的GW150914引力波事件長(zhǎng)了約5倍，統(tǒng)計(jì)置信度高于5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方差。
發(fā)現(xiàn)此次引力波，科學(xué)家們采用了新方法。上次的GW150914事件在頻率和時(shí)間參數(shù)空間上肉眼可見(jiàn)（信噪比24），而此次GW151226信號(hào)淹沒(méi)在噪聲中（信噪比13）。LIGO科學(xué)合作組織成員范錫龍博士在《知社學(xué)術(shù)圈》上介紹：對(duì)于這種弱信號(hào)，需要更全面的對(duì)比細(xì)節(jié)特征，所用的技術(shù)原理是“匹配濾波”。雖然技術(shù)原理非常普通，但是具體處理方法經(jīng)過(guò)很多優(yōu)化，整套程序是LVC開發(fā)的，實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，這次信號(hào)在到達(dá)探測(cè)器70秒后就被發(fā)現(xiàn)了。


LIGO科學(xué)合作組織發(fā)言人、路易斯安那州立大學(xué)物理與天文學(xué)教授Gabriela González宣布，LIGO再次發(fā)現(xiàn)黑洞并合產(chǎn)生的引力波。
什么是引力波？
引力波就像時(shí)空結(jié)構(gòu)中的漣漪，如果把空間想象成一塊巨大的橡膠膜，那些有質(zhì)量的物體就會(huì)讓橡膠膜彎曲，就像我們站在蹦床上時(shí)引起床墊變形一樣。質(zhì)量越大，空間被彎曲得越厲害。100年前，愛(ài)因斯坦就預(yù)測(cè)了引力波的存在。
比如地球圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的原因就是因?yàn)樘?yáng)非常重，導(dǎo)致太陽(yáng)周圍空間出現(xiàn)巨大變形，如果試圖在巨大的變形周圍以直線運(yùn)動(dòng)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)是在沿著一個(gè)圓運(yùn)動(dòng)，這就是軌道運(yùn)轉(zhuǎn)。并沒(méi)有實(shí)際的力拉著行星運(yùn)轉(zhuǎn)，僅僅是因?yàn)榭臻g的彎曲。
只要有質(zhì)量的物體加速，改變了空間形狀，引力波就產(chǎn)生了，你可以想象湖面的漣漪。當(dāng)高密度、大質(zhì)量的物體在宇宙里加速——比如黑洞或者中子星——它們會(huì)在時(shí)空的墊子上泛起漣漪。這些波紋攜帶著大質(zhì)量物體的引力輻射，在廣闊的宇宙中傳播。激光干涉引力波觀測(cè)站的存在就是為了捕捉這種微弱的波動(dòng)。
1915年，愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論論文，革新了自牛頓以來(lái)的引力觀和時(shí)空觀，創(chuàng)造性地論證了引力的本質(zhì)是時(shí)空幾何在物質(zhì)影響下的彎曲。1916年愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論的框架內(nèi)，又發(fā)表論文論證了引力的作用以波動(dòng)的形式傳播。
引力波的真實(shí)性質(zhì)疑可以休矣
今年2月，科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)GW150914引力波事件之后，很多天體物理學(xué)家對(duì)宇宙中存在如此大質(zhì)量的雙黑洞系統(tǒng)比較吃驚，不少人對(duì)其真實(shí)性提出質(zhì)疑。質(zhì)疑點(diǎn)有二：一是第一個(gè)引力波事件的持續(xù)時(shí)間非常之短，只有約0.2秒，這樣瞬間即逝的事件可信度成疑；二是雙黑洞并合事件不可重復(fù)，這也許是個(gè)偶發(fā)的不關(guān)聯(lián)事件。
清華大學(xué)、國(guó)家天文臺(tái)毛淑德教授與南京大學(xué)的李順生在《賽先生》上解釋了這兩點(diǎn)。“現(xiàn)代天文的觀測(cè)往往是借助儀器，而現(xiàn)代儀器的響應(yīng)時(shí)標(biāo)可以比變化時(shí)標(biāo)短很多。比如，LIGO對(duì)100赫茲的引力波最敏感，時(shí)間采樣的響應(yīng)能力（0.01秒）相較于持續(xù)時(shí)間約為0.2秒的引力波事件來(lái)說(shuō)已經(jīng)綽綽有余。”
兩位科學(xué)家打了一個(gè)比喻：對(duì)于一列正在疾馳的動(dòng)車，如果我們單憑肉眼是觀測(cè)不到任何細(xì)節(jié)的。但借助高速照相機(jī)，我們可以在動(dòng)車經(jīng)過(guò)的幾秒內(nèi)抓拍到很多照片，從而得到列車內(nèi)的各種細(xì)節(jié)。在天文觀測(cè)中，這種短時(shí)標(biāo)的事件不乏其數(shù)，如伽馬暴等（通常持續(xù)0.3秒到幾十分鐘）；現(xiàn)代天文儀器借助其快速響應(yīng)能力完全可以捕捉到這些短時(shí)標(biāo)的事件。
不同于一般的物理實(shí)驗(yàn)，天文觀測(cè)基于自然事件，因此有許多事件是不可重復(fù)的（如超新星爆發(fā)、伽馬暴等），至于如何確信這不是偶發(fā)的不關(guān)聯(lián)事件？毛淑德和李順生在《賽先生》表示，如今人們對(duì)引力波真實(shí)性的質(zhì)疑可以休矣。
“對(duì)于引力波的觀測(cè)，研究者先通過(guò)理論模擬計(jì)算得到一個(gè)海量的波形庫(kù)。當(dāng)探測(cè)器通過(guò)所謂的低延時(shí)方法得到可能的引力波后，我們可以通過(guò)比對(duì)候選體與波形庫(kù)來(lái)確定信號(hào)的真實(shí)性，并進(jìn)一步得出有關(guān)發(fā)射源的信息。借助于不同環(huán)境、不同地點(diǎn)的多個(gè)探測(cè)器的同步觀測(cè)，我們可以區(qū)分引力波和環(huán)境噪聲，并提高信號(hào)的可信度，更好地確定引力波源的方向和物理性質(zhì)。第一個(gè)和第二個(gè)引力波，都被LIGO兩個(gè)相距3000公里的探測(cè)器（幾乎）同時(shí)觀測(cè)到，而且波形一模一樣，與理論模型符合得很好，強(qiáng)有力地證明引力波的真實(shí)性。”
對(duì)黑洞形成理論的重要啟示
再次探測(cè)到引力波，對(duì)天體物理學(xué)來(lái)說(shuō)具有重要意義。《知識(shí)分子》邀請(qǐng)的LIGO科學(xué)合作組織的中國(guó)研究人員明鏡表示，GW151226的發(fā)現(xiàn)對(duì)黑洞形成理論也有非常重要的啟示。
“現(xiàn)在有很多種黑洞形成的理論。有些理論認(rèn)為，一對(duì)大質(zhì)量恒星在一起產(chǎn)生之后共同演化，最終在它們的生命最后階段生成了雙黑洞系統(tǒng)。還有一些理論認(rèn)為，在宇宙中的某些區(qū)域中，恒星更加緊密地聚集著，雙黑洞系統(tǒng)也可能形成于兩個(gè)一開始各自演化的大質(zhì)量恒星在互相作用后最終形成的雙星系統(tǒng)。GW151226的觀測(cè)數(shù)據(jù)與這兩種形成理論都符合，所以，現(xiàn)階段并不能判斷哪種理論是更有可能的。”
除了GW151226、GW150914兩個(gè)引力波事件外，在去年的10月12日，LSC的科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了一次疑似引力波事件：LVT151012。為什么稱它是疑似事件呢，因?yàn)檫@個(gè)事件的距離我們很遠(yuǎn)（大約30億光年），所以信噪比相對(duì)弱一點(diǎn)，顯著性也只有1.7倍標(biāo)準(zhǔn)差，因此不能確定為科學(xué)發(fā)現(xiàn)。但是LSC內(nèi)部不少科學(xué)家傾向于相信，這也是一次雙黑洞并合事件。
明鏡認(rèn)為，這些發(fā)現(xiàn)表明宇宙中的恒星質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)比我們想象的更多。第一次事件可以稱為“發(fā)現(xiàn)”，第二次事件可以說(shuō)是“統(tǒng)計(jì)”，但是三次便可以做“分布”了！根據(jù)這三個(gè)事件的觀測(cè)數(shù)據(jù)，我們對(duì)雙黑洞并合率的估計(jì)為：每年在每立方Gpc的空間內(nèi)有9-240次黑洞并合。
隨著引力波探測(cè)技術(shù)的不斷成熟，引力波樣本的數(shù)目會(huì)越來(lái)越多。屆時(shí)，我們將可以通過(guò)樣本統(tǒng)計(jì)方法來(lái)研究雙星演化過(guò)程以及雙中子星、雙黑洞的相對(duì)數(shù)目及其產(chǎn)生機(jī)制。在這種意義上，再次觀測(cè)到引力波無(wú)疑是向引力波統(tǒng)計(jì)研究邁出了第一步。