ligo论文

在2915年9月14日，位于华盛顿州汉诺威和路易斯安那州利文斯顿的先进LIGO探测器都探测到了一股猛烈、连贯、引人注目的引力波信号，这是这种事件的第一次直接观测。在跨越了数十年的理论和实验研究，以及开发工作后，一个清晰的只持续了20毫秒的信号被这些上述的探测器中被连续捕捉到了。结果就是，我们看到了不可思议的情景：分别有太阳质量36倍和29倍的两个黑洞完成了它们的自转而合并在了一起，最终产生了一个62倍太阳质量的大型黑洞，并以67%的光速旋转；同时以引力波形式辐射出其余的三个太阳质量，按爱因斯坦方程E=mc^2把质量转化为能量。

理论上两个黑洞融合时不应该有任何光信号产生，不会有任何的无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线或伽马射线。但在美国物理学会四月会议上公布的一组数据中，来自美国宇航局费米卫星的学术团队声称，他们观测到了与LIGO探测到的引力波相一致的伽马射线事件。这一消息就其本身而言，是既令人吃惊又引人注目。

图源： NASA's Goddard Space Flight Center.

由瓦莱丽·康诺顿（Valerie Connaughton）领导的小组的一篇新论文，在同行审评中看到了一个薄弱点：伽马射线包括一次超过50keV的高能辐射瞬时脉冲，约为电离氢离子所需能量的4000倍。由于费米只覆盖了70%的天空，所以该事件的定位不充分，但是它所观测的那一部分包含了LIGO观测到的引力波事件GW150914可能的起源位置。关键发现呢？那一事件仅仅发生在LIGO观测的秒后。根据他们的研究，这一事件是虚惊一场的概率大约为，意味着有的可能表明这是真的信号，听起来是很有可能的！

费米观测到的事件的伽马射线计数率

但是从观测的角度来看，有几处问题

首先， 的“虚惊一场可能性”对于物理标准来说其实挺高的，当我们想声称一项事件是一个真正的观测时，我们需要5σ显著性上稳定的置信水平，这相当于，或者说1/3500000的错误概率。但我们现有的只是一个1/454的错误概率，σ显著的事件。

其次，当伽马射线监测（GBM）仪器覆盖70%天空时，在较小的天空区域有一个最佳相应范围——这个范围不包括此次爆发的区域，正如论文作者自己说，“瞬间事件的持续时间和频谱说明，这是一段弱的短伽马射线，其爆发与费米指向方向呈大角度差异，在此处，GBM探测器的应答不是最优的。”换句话说，这项观测是基于而费米卫星不可靠的数据产生的。

最后，还有一个竞争卫星项目——欧洲航天局的综合卫星，明确指出没有看到与LIGO事件相关的高能信号。发表在著名天体物理学杂志上的一篇论文中，第一作者沃洛迪米尔·萨夫琴科（Volodymyr Savchenko）得出以下结论：我们寻找了所有可获得的综合卫星的数据，但没有发现任何与LIGO探测有关的高能放射的线索。

换句话说，这的几率事实上暗示着这个信号有很大可能是错误的。当然，如果是正确的，我们就可以缩小信号位置的范围，但这需要一个很大的假设，因为现存的数据没有足够的合理性。

不是说这不可能是真的，也不是说费米的结果没有暗示性。LIGO合作的下一个目标是把他们未来所有的引力波发现探测结果与电磁（基于光）信号结合起来。理论上，两个融合的黑洞不会产生电磁辐射，但两个融合的中子星——LIGO敏感的另一种引力波源，是可以产生的，也可以想到，虽然黑洞不会产生这些伽马射线，但吸积盘或是起附近的环境可以。

途经的引力波对时空的“涟漪”效应

图源: ESA–

来自这一事件的引力波肯定是真的，但电磁波就远不能确定了。一如既往，两个不同小组互相争论谁的结果更好，是费米的还是综合卫星的？这样是不能解决问题的，只有来自随后事件中更多更好的数据才有助于解决。引力波天文学这门学科最终还是进入了它的初期，这是进入下一步的一个尝试。对于结果要我们保持一个开放的心态，但也要对这些声言极度谨慎，直到得到更佳的数据。

作者: Ethan Siegel Senior Contributor

FY: 赵丁丁

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近日，瑞典哥德堡大学的科研团队发表论文探讨了外星人掌握制造引力波技术的可能性。他们称，其他先进的外星文明应该会考虑设置引力波发射器，而只要将欧洲航天局计划发射的激光干涉仪空间天线(LISA)引力波探测任务稍做调整，就可以将它变成能捕捉地外文明通信信号的探测器。

这种方法的可行性目前尚不可知。但自激光引力波天文台（LIGO）2015年首次探测到引力波以来，已探测到多次引力波事件，其中包括13次由双黑洞碰撞、2次由双中子星碰撞，以及疑似由黑洞和中子星碰撞产生的引力波。要通过引力波去寻找外星人，显然要对各种波源产生的引力波了然于胸才行。那么，目前人类已经发现了哪些类型的引力波源，还有哪些“隐身”波源有待 探索 ？

确认十多例事件，验证理论预言

引力波是时空的涟漪，会在宇宙间留下踪迹。目前，已经现身的引力波源包括成对碰撞的黑洞、双中子星并合，以及疑似黑洞吞噬中子星。

LIGO于2015年9月14日第一次捕获的引力波源头正是一对相互碰撞的黑洞，“涉事”黑洞的质量约为太阳质量的30倍。LIGO的三位创始人也因发现引力波而荣膺2017年诺贝尔物理学奖。

中科院国家天文台研究员张承民解释道：“这一事件证明，运动的大质量天体的确可以撼动时空并产生引力波，这正如在1915年发表的爱因斯坦广义相对论所预测的那样。不仅如此，这一发现还证明，地球上的高精度实验可以探测到这些引力波——而爱因斯坦曾对此持怀疑态度。”

此外，科学家此前曾预言，一对中子星相互绕转碰撞，可能产生引力波。

张承民介绍，中子星是8—25倍太阳质量的大型恒星死亡后、在自身重力的作用下发生坍缩的产物，其密度大得惊人，相当于将全球人口置于人的手心。

2017年8月，LIGO-Virgo（欧洲室女座引力波探测器）团队捕获了第一个此类事件，并于今年4月25日再次得手。而且，通过分析引力波数据，科学家还揭示了中子星相互绕转碰撞的隐藏细节，包括撞击后产生了金、银和铂等贵金属元素。

另一种可以在时空中产生引力波的合并类似于我们在冰淇淋摊上看见的巧克力香草漩涡：一个黑洞和一个中子星合并成一个新黑洞。LIGO-Virgo团队可能于4月26日看到了这种合并的“蛛丝马迹”，但鉴于信号太弱，科学家们目前还无法对其盖棺论定。

张承民解释道，如果证实该信号的确代表了一个黑洞和一颗中子星相撞，那将证明这两种天体可以“比邻而居”。在合并之前，该黑洞和中子星曾经组成了一个紧密的二元系统，相互绕轨道运行，经历“千里共婵娟”的死亡之舞，最后一起踏入坟墓。

科学家们称，研究这样一个系统有助于梳理构成中子星内部所谓“核面食”的神秘物质。天体物理学家推测，恒星变成中子星时，密集的中子会以不同方式被推移和拉动，导致其形成各种形状。它们类似于不同种类的意大利面食，因此被统称为“核面食”。

张承民说，监控黑洞—中子星合并可以向我们展示，在黑洞的极端引力作用下，附近的中子星会如何变形瓦解，这也是与“核面食”行为有关的一个谜团。

寻找“隐身”波源，期待意外惊喜

而截至目前，还有包括中等质量黑洞的碰撞、凹凸不平的中子星、超新星爆发以及宇宙大爆炸等产生的引力波未被人类捕获，科学家们“为伊消得人憔悴”。

迄今为止，LIGO和Virgo探测到的所有黑洞均为恒星级质量，这意味着它们的“体重”通常不到太阳的100倍。而超大质量黑洞的“体重”一般是太阳质量的数百万或数十亿倍，但目前尚不清楚是否存在质量介于这两者之间的黑洞产生的引力波事件。以前的研究已经看到了这种中等质量黑洞的“蛛丝马迹”，但探测到其彼此相撞产生的引力波将是更明确的证据。

表面凹凸不平的中子星也是引力波科学家们向往的目标。2018年10月，美国和加拿大科学家在《物理评论快报》上撰文指出，“核面食”由于强度极高、密度极大，甚至可以堆叠成“山脉”，把部分中子星的外壳顶起来，在其表面形成凸起。在中子星快速旋转的过程中，这些凸起处理论上会导致引力波辐射。因此，探测到表面有凸起的中子星也成为科学家的目标。当然，与其他大多数引力波不同，表面有凸起的中子星将产生连续的引力波辐射。

此外，LIGO和Virgo也可以从超新星爆发过程中捕获引力波，超新星爆发是大质量恒星生命结束时的一种剧烈爆炸。

张承民表示，我们知道的是，在超新星爆发期间，恒星的中心会发生坍塌，由此产生的中子星从坍缩核的残余那里收集物质，中子星表面的涡流会使其像钟摆一样振动，发出引力波。

除此之外，宇宙大爆炸产生的引力波也是科学家们孜孜以求的目标。一旦探测到它就意味着能比以往任何时候都更深入地了解早期宇宙的 历史 ，以及宇宙膨胀等。

当然，未来也有可能发现科学家们目前还不知道的引力波源。LIGO团队成员、美国西北大学的克里斯托弗·贝瑞说，每当研究人员以新的方式观察宇宙时，他们都会发现一些意料之外的东西，我们相信，探测引力波也是如此。

需要更好的技术，还需要点运气

为什么上述几种波源产生的引力波仍未现身呢？

张承民解释道，一方面与我们的技术本身未到位有关。比如，宇宙大爆炸产生的引力波可能会与其他物质产生的引力波混合在一起，“目前的探测器还无法‘揪出’宇宙大爆炸产生的引力波信号” 。

此外，纵观科学发展史，很多重大的发明，其实都是“运气”的偶然产物。比如，X光就是德国物理学家威廉·伦琴在实验室中研究阴极射线管的特性时偶然发现的。在寻找引力波源时，科学家们可能也需要更多的运气。

普林斯顿大学的天体物理学家戴维·拉迪斯及其同事在《天体物理学杂志快报》上报告说：“引力波、中微子和来自星系的超新星辐射可以让我们了解恒星的结构、以及驱使恒星爆发的机制。”

但问题在于，天文学家们不知道下一颗超新星何时爆发。拉迪斯说：“根据我们的估算，在银河系大小的星系中，每100年可能只有2次超新星爆发，所以我们需要非常幸运，或者非常有耐心。”

LIGO发言人、威斯康星大学密尔沃基分校的帕特里克·布雷迪说：“引力波天文学的时代已经到来，这个全新的宇宙窗口有望为我们提供一个独特的视角，来逐一揭开宇宙的神秘面纱。”

张承民说：“引力波还有很多谜团有待我们揭开，路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。”或许，这也是全球无数引力波科学家的心声。

黑洞是宇宙的引力怪物。它们是如此强大，以至于任何东西，甚至是光，都无法逃脱它们的控制。一个黑洞已经够坏了。但如果你把两个黑洞撞在一起，它们就能改变空间本身的形状形成爆炸！爆炸能以某种方式到达地球吗？