引力波天文台获得大量发现

本文最初发表于我们 2022 年 7 月/8 月刊，题为“发现的波浪”。点击此处订阅以阅读更多此类故事。

引力波天文学正在成长。时空结构的这些涟漪是由加速的质量产生的，然后以光速从其源头向外传播。虽然任何有质量的物体都可以产生引力波 (GW)，但目前只能探测到最大的事件：要么是两个黑洞碰撞，要么是两个中子星相互碰撞，要么是两者的组合。

2015 年，激光干涉引力波天文台 (LIGO) 探测到了第一个引力波，当时距离我们约 13 亿光年外的两个黑洞发生碰撞。LIGO 由两个干涉仪组成——一个在美国路易斯安那州，一个在美国华盛顿州——它们是 L 形的真空隧道，每边长约 2.5 英里。激光从 L 的交叉点射向每侧末端的镜子，如果其中一条激光束稍晚到达，探测器就会记录下迟到的光束。这些探测器足够灵敏，可以探测到地球上附近的噪音，例如路过的卡车和倒下的树木。这些事件会掩盖

或模拟引力波信号，因此两个相距遥远的探测器有助于科学家区分真实的引力波振动和虚警。

探测到第一个引力波的实际探测器现已保存在瑞典斯德哥尔摩的诺贝尔奖博物馆，因为 2017 年的诺贝尔物理学奖就是因这项发现而颁发的。但 LIGO 并没有止步于此：几个月后，LIGO 与意大利新完工的 Virgo 干涉仪合作，又探测到了一起引力波事件——这次是由中子星碰撞产生的。该发现还伴随着一次短伽马射线爆发，以及随后用光学望远镜发现的合并地点。然而，就在这次重大发现的几天后，LIGO 因计划中的升级而离线。

探测器于 2019 年 4 月 1 日重新开启，开始了一个备受天文学界期待的新观测运行，称为 O3。新的升级意味着 LIGO 在其为期一年的运行中可以探测到更远的空间中的引力波，并且与 Virgo 协同工作意味着可以更精确地确定探测到的合并发生在空间的哪个位置。这次 LIGO 会有什么新发现？

探测天文事件

O3 前半部分的数据已经发布，很明显，随着 O3 的到来，LIGO 进入了一个新阶段。阿姆斯特丹大学的天体物理学家、LIGO 合作组织成员 Samaya Nissanke 解释说：“我们已经从引力波事件的发现阶段过渡到常规阶段。” O3 之前的观测运行仅探测到 11 起引力波事件；O3 运行探测到几十起。几乎在一夜之间，发现数百万光年外巨大黑洞相互碰撞的事件就变得近乎常规。

此外，对于每一次新探测，LIGO 都会实时发出警报，就像天文台常规处理需要快速跟进的天文事件一样。当 Virgo 探测器以及路易斯安那州和华盛顿州的 LIGO 探测器同时看到类似引力波的信号时，警报会自动分发。警报还包括一个可能的信号来源区域图，称为定位。一旦发出，这些消息就会通过自动警报分发给天文学家、应用程序，甚至 LIGO 的 Twitter 供稿。尽管一开始警报中充斥着后来归因于地球局部干扰的事件——“一开始有些艰难，”Nissanke 承认——但一旦解决了问题，天文学家就可以几乎瞬间地搜遍天空，寻找从引力波合并中探测到的任何微弱光芒。目前正计划应用自动算法和机器学习技术，以使警报在未来更加准确。

然而，随着经过验证的 O3 探测的进展，很明显 LIGO 的黑洞样本数量正在快速增长。麻省理工学院的天体物理学家、专门研究 LIGO 中黑洞引力波信号建模的 Lionel London 解释说：“我们的黑洞探测数量翻了一番，随着这一增长，我们对那里存在的种群有了更清晰的认识。”一个值得注意的例子，称为 GW190814（因为它于 2019 年 8 月 14 日被探测到），令人兴奋，因为它要么是我们发现过的质量最大的中子星，要么是质量最小的黑洞。

此前，天文学家已经注意到，已知质量最大的中子星大约是太阳质量的两倍，而已知质量最小的黑洞是太阳质量的三倍。这个所谓的“质量间隙”让科学家们感到困惑——是否存在物理原因，还是我们还没有找到可以填补这个间隙的东西？GW190814 是第一批填补该间隙的居民之一：其中一个组件的质量约为太阳质量的 2.6 倍。确切地说，这个天体是什么，还有待商榷，但很明显它是不寻常的，并且它最终与一个质量是我们太阳 23 倍的黑洞合并。两者共同形成了一个质量约为太阳 26 倍的黑洞——比例如垂死恒星形成的黑洞还要大——距离地球约 8 亿光年。

科学发现也来自于实时探测警报。最引人注目的是加州理工学院兹威基瞬变设施 (ZTF) 报告的可能发现的两颗碰撞黑洞发出的光，这是此类探测首次被声称。众所周知，黑洞的密度极高，光无法逃脱，而且在正常情况下，两个黑洞的合并也不应该发出任何光。然而，在这种情况下，ZTF 观测到的光闪被该团队认为与 2019 年 5 月 21 日的一次引力波事件相对应，当时两个黑洞合并。研究人员认为，合并本身的角动量会导致与周围气体的相互作用。正是这种相互作用才可能导致了他们观测到的突然闪光。

然而，除了个别事件之外，黑洞探测目录对于检验我们对物理学的理解本身也具有极高的价值。引力波探测的每个部分都由几个组成部分构成，包括两个天体的吸积、碰撞本身以及合并后的回响。这些时刻的极端物理现象为检验与引力相关的理论提供了一个新的热点，从广义相对论到驱动宇宙膨胀的神秘暗能量。“就理论解释而言，这些都还处于非常早期的阶段，”London 解释说。“一些测试非常初级。”然而，一旦事件样本增大，信号被更好地理解，科学家们就可以利用统计学以全新的方式探索物理学。

不幸的是，O3 运行在 2020 年 3 月因冠状病毒大流行而缩短。然而，引力波科学家们相信，下一个运行 O4 将在 2022 年 12 月开始时更加激动人心。他们不仅会比以往看得更远，而且在 2020 年，一个新的引力波探测器——神冈引力波探测器 (KAGRA)——在日本上线。与 LIGO 和 Virgo 的仪器协同工作，KAGRA 将能够更精确地估计引力波的起源位置。着眼于更长远的未来，LIGO-India 项目目前正在进行中，并计划于 2026 年开始观测。届时，在天空中精确定位引力波来源的能力将比现在大大提高。这将使天文学家能够比以往任何时候都更好地识别宇宙碰撞的地点。

Nissanke 观察道：“我们正在打开天体形成黑洞的动物园，很高兴看到那里有什么。”