諾獎(jiǎng)季前的發(fā)布會(huì) 引力波探測(cè)小分隊(duì)添新

　　10月初，一年一度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)即將公布。

　　2016年2月，人類首次直接探測(cè)到引力波的消息如潮水般占據(jù)了世界各大媒體的重要位置，之后又橫掃了科學(xué)界幾乎所有大獎(jiǎng)。唯獨(dú)諾獎(jiǎng)不為所動(dòng)，出人意料地授予了三位拓?fù)湎嘧冾I(lǐng)域的科學(xué)家。

　　后來，諾獎(jiǎng)方面給出解釋稱，原因是引力波的宣布時(shí)間晚于諾獎(jiǎng)申報(bào)時(shí)間。

　　其后，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)相當(dāng)給力，再度公布了另外兩起確認(rèn)的引力波事件，并在網(wǎng)頁上說明，還有更多事件在等待確認(rèn)。

　　種種跡象表明，引力波探測(cè)已經(jīng)日?；?，引力波時(shí)代已經(jīng)到來。

　　鑒于引力波探測(cè)的重要性，以及近幾年來幾乎沒有重要性可與之相匹敵的其他科學(xué)發(fā)現(xiàn)，如果讓我猜測(cè)的話，引力波將毫無懸念地捧走2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　然而，就在諾獎(jiǎng)揭曉之前，引力波再出大動(dòng)作，雖然不及首發(fā)那般轟動(dòng)，但依然再度吸引了人們的目光。

　　(有人開玩笑說，難道是為了給諾獎(jiǎng)拉票?哈哈，并不是的?，F(xiàn)在拉票有點(diǎn)來不及了。)

　　根據(jù)ScienceAlert網(wǎng)站率先披露的消息，LIGO/VIRGO(VIRGO指歐洲室女座天文臺(tái))科學(xué)協(xié)同組織將于北京時(shí)間9月28日凌晨12點(diǎn)30分，在意大利都靈召開新聞發(fā)布會(huì)。

　　文中提到，此次發(fā)布會(huì)將宣布今年8月14日探測(cè)到的一例引力波事件，很有可能來自雙黑洞以外的其它引力波源。

　　消息來源是一位在天文學(xué)界向來聲譽(yù)不錯(cuò)的科學(xué)家，LIGO/VIRGO組織有著嚴(yán)格的保密條款，在此情況下走露的風(fēng)聲格外令人著迷。

　　來自這位科學(xué)家的消息是：LIGO和VIRGO才聯(lián)合工作沒幾天，就觀測(cè)到了有史以來第一例雙中子星合并所產(chǎn)生的引力波。《自然》雜志隨后發(fā)文，跟進(jìn)了這一“科學(xué)流言”的整個(gè)產(chǎn)生和發(fā)展經(jīng)過。

　　而LIGO也隨即發(fā)表聲明 ，既沒否認(rèn)也未確認(rèn)這一“流言”，只是聲稱LIGO/VIRGO發(fā)現(xiàn)了很多例事件，仍待進(jìn)一步確認(rèn)。

　　不過，種種跡象表明，此次探測(cè)到的引力波來自雙中子星合并的概率很大!

　　既然引力波在今天已不是什么大新聞，一個(gè)新來源還有什么令人興奮之處嗎?

　　答案是肯定的。

　　如果此次探測(cè)到的引力波來源確為雙中子星合并，對(duì)科學(xué)界而言意義甚為重大。

　　原因在于，之前三次雙黑洞合并只有引力波產(chǎn)生，不產(chǎn)生電磁輻射，而雙中子星合并會(huì)產(chǎn)生以上兩者。

　　所以，如果探測(cè)到來源于雙中子星的引力波事件，我們就可以將之作為引力波多信使天文學(xué)真正意義上的開端了。

　　除此之外，雙中子星合并通常被認(rèn)為是伽馬射線暴的一類產(chǎn)生源，會(huì)產(chǎn)生很多不同的觀測(cè)現(xiàn)象，所以綜合引力波、電磁波等多個(gè)方式的觀測(cè)，我們能夠?qū)χ凶有沁@一充滿謎團(tuán)的天體做出更為詳細(xì)的了解。

　　贅言至此，昨晚的發(fā)布會(huì)究竟說了啥?

　　無關(guān)雙子，發(fā)布會(huì)依然意義重大

　　此次發(fā)布會(huì)利用了G7峰會(huì)(七國(guó)集團(tuán)首腦會(huì)議，包括美、日、德、英、法、意、加)科學(xué)部長(zhǎng)分會(huì)的召開時(shí)間，參會(huì)人員包括LIGO發(fā)言人以及歐洲VIRGO團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家。

　　身為美國(guó)自然基金委員會(huì)主任的弗朗斯·科爾多瓦(France Cordova)再度亮相發(fā)布會(huì)，她此前只在引力波首次發(fā)布會(huì)上亮相，其后兩次常規(guī)發(fā)布并未出現(xiàn)，她此次現(xiàn)身莫非意味著什么大動(dòng)作?

　　我不禁心下八卦一番，欣欣然盼望她公布與雙中子星相關(guān)的內(nèi)容。

　　不料，此次宣布的、編號(hào)為GW170814的引力波依舊來自于雙黑洞合并。

　　兩個(gè)黑洞質(zhì)量分別是30.5和25.3個(gè)太陽質(zhì)量，合并后的質(zhì)量約為53.2個(gè)太陽質(zhì)量，也就是說，在極短的時(shí)間之內(nèi)，大約有2.6個(gè)太陽質(zhì)量以引力波的形式損失掉了。通過整個(gè)持續(xù)了大約0.25秒的波形振幅擬合，我們由此可以推斷，此次雙黑洞合并發(fā)生之處距離我們大約18億光年。

圖1：三個(gè)探測(cè)器分別觀測(cè)到的信號(hào)時(shí)間演化圖

　　(第一行圖為信噪比，第二行圖為對(duì)應(yīng)的引力波頻率，第三行圖是對(duì)應(yīng)的時(shí)空變形程度)

　　數(shù)光年之外的我們最多只能探測(cè)到黑洞的三個(gè)物理量——質(zhì)量、電荷和角動(dòng)量，這三者也被成為黑洞“三毛”。

　　非常神奇的是，在此次雙黑洞合并之后，表征黑洞角動(dòng)量的自旋值竟然還是0.70——與之前三次雙黑洞系統(tǒng)合并得到的自旋值(分別是0.67、0.74、0.64)相當(dāng)接近。這一數(shù)據(jù)肯定在某種程度上反映了黑洞合并之前的演化歷程，只不過我們現(xiàn)在還不清楚個(gè)中原委。

　　圖2：黑洞質(zhì)量分布圖(紫色為電磁X射線波段發(fā)現(xiàn)的黑洞，藍(lán)色為引力波發(fā)現(xiàn)的黑洞)。

　　雖然引力波此次并非來自新的天文系統(tǒng)，但這一發(fā)布會(huì)依然意義重大。這是歐洲室女座天文臺(tái)VIRGO直接探測(cè)到的第一例引力波事件，意味著VIRGO的成功運(yùn)行。

　　2015年9月，美國(guó)的兩個(gè)LIGO天文臺(tái)如期升級(jí)完畢，按照原計(jì)劃開始運(yùn)行。在剛剛開始運(yùn)行的幾分鐘時(shí)間內(nèi)，便幸運(yùn)地探測(cè)到了眾所周知的第一例引力波事件GW150914，所以這一發(fā)現(xiàn)也被稱為“上帝的禮物”。

　　然而，因?yàn)橹挥袃蓚€(gè)探測(cè)器，我們很難精確地確定引力波源的方位。其給定范圍通常在幾百平方度左右，這一范圍之內(nèi)的天體實(shí)在是太多了，我們很難尋找和確定雙黑洞在電磁波段的對(duì)應(yīng)體。

　　所以，科學(xué)家們急需更多的引力波探測(cè)器加入到探測(cè)行列中去，VIRGO就是肩負(fù)最多期待的一個(gè)。

　　室女發(fā)力，提升探測(cè)靈敏度精確度

　　這位室女最初有那么一丁點(diǎn)兒“遲鈍”。

　　VIRGO于1996年動(dòng)工始建，最早只有法國(guó)和意大利兩個(gè)國(guó)家參與。

　　2000年，這兩個(gè)國(guó)家共同成立了歐洲引力波天文臺(tái)，主要負(fù)責(zé)VIRGO的建設(shè)和升級(jí)，推廣促進(jìn)引力波在歐洲的研究。

　　到2003年6月，VIRGO完成了初期建設(shè)，它采用的也是和LIGO類似的干涉探測(cè)方式，每個(gè)臂長(zhǎng)是3公里(LIGO臂長(zhǎng)為4公里)。

　　在測(cè)試校對(duì)之后，VIRGO在2007年到2011年之間進(jìn)行了一系列觀測(cè)，也曾與美國(guó)兩個(gè)LIGO天文臺(tái)協(xié)作。但由于設(shè)備整體靈敏度不足，盡管三個(gè)設(shè)備一起運(yùn)行，也未探測(cè)到任何引力波信號(hào)。

　　圖3：(上)此次GW170814不同方式的定位精度比較;(下)目前已知黑洞系統(tǒng)源的定位精度比較。

　　所以從2011年起，三個(gè)設(shè)備計(jì)劃升級(jí)，升級(jí)后設(shè)備靈敏度有望達(dá)到之前的10倍。本預(yù)計(jì)和LIGO在2015年一起完成升級(jí)、運(yùn)行觀測(cè)，VIRGO卻因懸掛光纖的問題遲遲未能加入。直到今年8月1日，VIRGO才正式加入LIGO的第二次科學(xué)運(yùn)行(O2)，展開聯(lián)合觀測(cè)，到8月25日結(jié)束，整整運(yùn)行了25天。數(shù)據(jù)顯示，在整個(gè)聯(lián)合運(yùn)行期間，VIRGO有84%的時(shí)間都在進(jìn)行科學(xué)數(shù)據(jù)收集，狀態(tài)非常好。昨夜發(fā)布會(huì)的主角GW170814，就是三個(gè)探測(cè)器在聯(lián)合運(yùn)行14天時(shí)發(fā)現(xiàn)的。

　　正如現(xiàn)場(chǎng)幾位科學(xué)家所強(qiáng)調(diào)的那樣，VIRGO的加入不僅為引力波探測(cè)增加了一個(gè)新的維度，更為重要的是，它使得空間位置的不確定性大大降低了(見圖3)。

　　兩個(gè)LIGO探測(cè)器快速空間定位的范圍約為1160平方度;VIRGO加入之后，定位范圍將會(huì)收縮到100平方度。如果進(jìn)一步利用貝葉斯統(tǒng)計(jì)方法對(duì)所有可能參數(shù)進(jìn)行估算，空間定位將進(jìn)一步縮減至60平方度。

　　這樣一來，空間定位就足足提高了將近20倍，可以說是一個(gè)相當(dāng)了不起的成就!

　　正因空間定位得到了極大提高，我們才有可能對(duì)存在電磁對(duì)應(yīng)體的其他現(xiàn)象進(jìn)行追蹤觀測(cè)，科學(xué)界期待多時(shí)的多信使天文學(xué)才有可能真正實(shí)現(xiàn)，人類對(duì)于諸如雙子星等天體的全面研究才有機(jī)會(huì)成為可能。

　　接下來，三個(gè)設(shè)備將再次進(jìn)行為期一年的升級(jí)，屆時(shí)靈敏度有望再提高2倍，定位區(qū)域的精確度也將進(jìn)一步改善。

　　回到開頭的話題，科學(xué)家究竟有沒有探測(cè)到雙中子星合并產(chǎn)生的引力波呢?

　　可能性很大。

　　根據(jù)伽瑪射線暴協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)(Gamma-ray Coordinates Network)的消息，很多空間和地面望遠(yuǎn)鏡(包括費(fèi)米、PanSTAR、iPTF、Gemini等)都已經(jīng)觀測(cè)到了可能的雙中子星合并電磁現(xiàn)象。

　　此次發(fā)布會(huì)之所以未公布中子星相關(guān)信息，其考量一來或許因?yàn)榘l(fā)布會(huì)的重點(diǎn)在于檢驗(yàn)VIRGO的正常運(yùn)行，二來黑洞合并相較于其他引力波源來說更為簡(jiǎn)單。雙中子星合并產(chǎn)生的引力波形更加復(fù)雜，存在著更多不確定性，需要科學(xué)家耗費(fèi)更多時(shí)間、更加謹(jǐn)慎地確認(rèn)。

　　在過去的20個(gè)月里，在經(jīng)歷了4次引力波發(fā)布會(huì)之后，公眾或許已經(jīng)對(duì)雙黑洞引力波的成功探測(cè)習(xí)以為常，甚至產(chǎn)生了審美疲勞。

　　不過，在科學(xué)界，引力波的直接探測(cè)才剛剛開始，科學(xué)家們已經(jīng)看到了利用引力波研究宇宙另一面的神奇效應(yīng)，引力波成為了科學(xué)家望向宇宙的第二雙眼睛，讓我們得以看到電磁波發(fā)現(xiàn)不了的諸多天體。

　　因此，更多更加靈敏的引力波天文臺(tái)也正在建設(shè)之中，包括印度的LIGO-India以及眾多第三代引力波探測(cè)器(比如美國(guó)Voyager探測(cè)器)。

　　一旦這些探測(cè)器準(zhǔn)備就緒，人類的天文觀測(cè)將進(jìn)一步極大改善，不過或許要等到至少十年之后才能實(shí)現(xiàn)了。我們不妨先期盼一下近前的事情，比如，今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)花落引力波。