作者： 苟利軍 @Flyingspace 黃月
1、諾獎季前，引力波再出大動作
10月初，一年一度的諾貝爾物理學獎即將公佈。2016年2月，人類首次直接探測到引力波的訊息如潮水般佔據了世界各大媒體的重要位置，之後又橫掃了科學界幾乎所有大獎。唯獨諾獎不為所動，出人意料地授予了三位拓撲相變領域的科學家。後來，諾獎方面給出解釋稱，原因是引力波的宣佈時間晚於諾獎申報時間。
其後，美國鐳射干涉引力波天文臺（LIGO）相當給力，再度公佈了另外兩起確認的引力波事件，並在網頁上說明，還有更多事件在等待確認。種種跡象表明，引力波探測已經日常化，引力波時代已經到來。鑑於引力波探測的重要性，以及近幾年來幾乎沒有重要性可與之相匹敵的其他科學發現，如果讓我猜測的話，引力波將毫無懸念地捧走2017年諾貝爾物理學獎。
然而，就在諾獎揭曉之前，引力波再出大動作，雖然不及首發那般轟動，但依然再度吸引了人們的目光。根據ScienceAlert網站率先披露的訊息，LIGO/VIRGO（VIRGO指歐洲室女座天文臺）科學協同組織將於北京時間9月28日凌晨12點30分，在義大利都靈召開新聞釋出會。文中提到，此次釋出會將宣佈今年8月14日探測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。
訊息來源是一位在天文學界向來聲譽不錯的科學家，LIGO/VIRGO組織有著嚴格的保密條款，在此情況下走露的風聲格外令人著迷。來自這位科學家的訊息是：LIGO和VIRGO才聯合工作沒幾天，就觀測到了有史以來第一例雙中子星合併所產生的引力波。《自然》雜誌隨後發文，跟進了這一“科學流言”的整個產生和發展經過。LIGO隨即發表宣告
，既沒否認也未確認這一“流言”，只是聲稱LIGO/VIRGO發現了很多例事件，仍待進一步確認。不過，種種跡象表明，此次探測到的引力波來自雙中子星合併的機率很大！
既然引力波在今天已不是什麼大新聞，一個新來源還有什麼令人興奮之處嗎？答案是肯定的。如果此次探測到的引力波來源確為雙中子星合併，對科學界而言意義甚為重大。
原因在於，之前三次雙黑洞合併只有引力波產生，不產生電磁輻射，而雙中子星合併會產生以上兩者。所以，如果探測到來源於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真正意義上的開端了。除此之外，雙中子星合併通常被認為是伽馬射線暴的一類產生源，會產生很多不同的觀測現象，所以綜合引力波、電磁波等多個方式的觀測，我們能夠對中子星這一充滿謎團的天體做出更為詳細的瞭解。
贅言至此，昨晚的釋出會究竟說了啥？
2、無關雙子，釋出會依然意義重大
此次釋出會利用了G7峰會（七國集團首腦會議，包括美、日、德、英、法、意、加）科學部長分會的召開時間，參會人員包括LIGO發言人以及歐洲VIRGO團隊的科學家。身為美國自然基金委員會主任的弗朗斯·科爾多瓦（France Cordova）再度亮相釋出會，她此前只在引力波首次釋出會上亮相，其後兩次常規釋出並未出現，她此次現身莫非意味著什麼大動作？我不禁心下八卦一番，欣欣然盼望她公佈與雙中子星相關的內容。
不料，此次宣佈的、編號為GW170814的引力波依舊來自於雙黑洞合併。兩個黑洞質量分別是30。5和25。3個太陽質量，合併後的質量約為53。2個太陽質量，也就是說，在極短的時間之內，大約有2。6個太陽質量以引力波的形式損失掉了。透過整個持續了大約0。25秒的波形振幅擬合，我們由此可以推斷，此次雙黑洞合併發生之處距離我們大約18億光年。
圖1：三個探測器分別觀測到的訊號時間演化圖（第一行圖為信噪比，第二行圖為對應的引力波頻率，第三行圖是對應的時空變形程度）
數光年之外的我們最多隻能探測到黑洞的三個物理量——質量、電荷和角動量，這三者也被成為黑洞“三毛”。非常神奇的是，在此次雙黑洞合併之後，表徵黑洞角動量的自旋值竟然還是0。70——與之前三次雙黑洞系統合併得到的自旋值（分別是0。67、0。74、0。64）相當接近。這一資料肯定在某種程度上反映了黑洞合併之前的演化歷程，只不過我們現在還不清楚箇中原委。
圖2：黑洞質量分佈圖（紫色為電磁X射線波段發現的黑洞，藍色為引力波發現的黑洞）。
雖然引力波此次並非來自新的天文系統，但這一發佈會依然意義重大。這是歐洲室女座天文臺VIRGO直接探測到的第一例引力波事件，意味著VIRGO的成功執行。
2015年9月，美國的兩個LIGO天文臺如期升級完畢，按照原計劃開始執行。在剛剛開始執行的幾分鐘時間內，便幸運地探測到了眾所周知的第一例引力波事件GW150914，所以這一發現也被稱為“上帝的禮物”。然而，因為只有兩個探測器，我們很難精確地確定引力波源的方位。其給定範圍通常在幾百平方度左右，這一範圍之內的天體實在是太多了，我們很難尋找和確定雙黑洞在電磁波段的對應體。所以，科學家們急需更多的引力波探測器加入到探測行列中去，VIRGO就是肩負最多期待的一個。
3、室女發力，提升探測靈敏度精確度
這位室女最初有那麼一丁點兒“遲鈍”。VIRGO於1996年動工始建，最早只有法國和義大利兩個國家參與。2000年，這兩個國家共同成立了歐洲引力波天文臺，主要負責VIRGO的建設和升級，推廣促進引力波在歐洲的研究。到2003年6月，VIRGO完成了初期建設，它採用的也是和LIGO類似的干涉探測方式，每個臂長是3公里（LIGO臂長為4公里）。在測試校對之後，VIRGO在2007年到2011年之間進行了一系列觀測，也曾與美國兩個LIGO天文臺協作。但由於裝置整體靈敏度不足，儘管三個裝置一起執行，也未探測到任何引力波訊號。
圖3：（上）此次GW170814不同方式的定位精度比較；（下）目前已知黑洞系統源的定位精度比較。
所以從2011年起，三個裝置計劃升級，升級後設備靈敏度有望達到之前的10倍。本預計和LIGO在2015年一起完成升級、執行觀測，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的第二次科學執行（O2），展開聯合觀測，到8月25日結束，整整運行了25天。資料顯示，在整個聯合執行期間，VIRGO有84%的時間都在進行科學資料收集，狀態非常好。昨夜釋出會的主角GW170814，就是三個探測器在聯合執行14天時發現的。
正如現場幾位科學家所強調的那樣，VIRGO的加入不僅為引力波探測增加了一個新的維度，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LIGO探測器快速空間定位的範圍約為1160平方度；VIRGO加入之後，定位範圍將會收縮到100平方度。如果進一步利用貝葉斯統計方法對所有可能引數進行估算，空間定位將進一步縮減至60平方度。這樣一來，空間定位就足足提高了將近20倍，可以說是一個相當了不起的成就！
正因空間定位得到了極大提高，我們才有可能對存在電磁對應體的其他現象進行追蹤觀測，科學界期待多時的多信使天文學才有可能真正實現，人類對於諸如雙子星等天體的全面研究才有機會成為可能。接下來，三個裝置將再次進行為期一年的升級，屆時靈敏度有望再提高2倍，定位區域的精確度也將進一步改善。
回到開頭的話題，科學家究竟有沒有探測到雙中子星合併產生的引力波呢？可能性很大。根據伽瑪射線暴協調網路（Gamma-ray Coordinates Network）的訊息，很多空間和地面望遠鏡（包括費米、PanSTAR、iPTF、Gemini等）都已經觀測到了可能的雙中子星合併電磁現象。此次釋出會之所以未公佈中子星相關資訊，其考量一來或許因為釋出會的重點在於檢驗VIRGO的正常執行，二來黑洞合併相較於其他引力波源來說更為簡單。雙中子星合併產生的引力波形更加複雜，存在著更多不確定性，需要科學家耗費更多時間、更加謹慎地確認。
在過去的20個月裡，在經歷了4次引力波釋出會之後，公眾或許已經對雙黑洞引力波的成功探測習以為常，甚至產生了審美疲勞。不過，在科學界，引力波的直接探測才剛剛開始，科學家們已經看到了利用引力波研究宇宙另一面的神奇效應，引力波成為了科學家望向宇宙的第二雙眼睛，讓我們得以看到電磁波發現不了的諸多天體。因此，更多更加靈敏的引力波天文臺也正在建設之中，包括印度的LIGO-India以及眾多第三代引力波探測器（比如美國Voyager探測器）。一旦這些探測器準備就緒，人類的天文觀測將進一步極大改善，不過或許要等到至少十年之後才能實現了。我們不妨先期盼一下近前的事情，比如今年諾貝爾物理學獎花落引力波。
中科院院刊記者辛玲和北京理工大學韋浩教授為本文撰寫提供部分材料和資訊，特此感謝。
出品：科普中國
製作：黑洞來客團隊
苟利軍 黃月
監製：中國科學院計算機網路資訊中心
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