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引力波探测需要更多的检验 精选

已有 12653 次阅读 2017-10-26 14:30 |个人分类:大众物理学|系统分类:科普集锦




我要当民科啊我要当民科

我的脑袋里啊缺了几根弦


利用巨大的干涉仪来探测微弱的引力波(LIGO国际合作项目),经过几千名科技人员、几十年的辛勤工作,终于得到了回报,不仅在科学上取得了重大的成功,还在社会上造成了巨大的影响。

20162月,LIGO召开新闻发布会,宣布第一次成功探测到引力波事件(GW150914),引发了全世界对引力波的广泛关注,特别是因为爱因斯坦正好是在100年前提出了广义相对论,也就是引力波的理论基础。此后,LIGO陆续发布了几次引力波的消息(GW151226GW70104,以及疑似的引力波事件LVT151012),但是却无法再度吸引人们的注意力,可能是因为只有两个观测站能够测到信号的缘故。今年9月底,LIGO宣布,三台引力波探测站(美国的两个LIGO和欧洲的VIRGO)同时观测到一个引力波事件(GW170814),对引力波的关注度才有所上升。10月初,诺贝尔奖委员会宣布将2017年诺贝尔物理学奖授予为引力波探测做出巨大贡献的三位科学家,雷纳·韦斯(Rainer Weiss)教授、巴里·巴里什(Barry Clark Barish)、基普·索恩(Kip Stephen Thorne)教授,仿佛是众望所归了。上周又爆出一个大新闻,引力波、伽马射线暴和光学观测手段都观测到同一个天体物理事件(引力波事件GW170817即伽马暴事件GRB170817A),开辟了多信使天文观测的新纪元。


引力波探测是科学界的一件大事,以前我也表述过个人看法:

引力波探测(LIGO)是物理学的巨大胜利,标志着精密探测技术的巨大进步。然而,从科学意义上来看,与其说他标志着爱因斯坦广义相对论的百年胜利,不如说象征着战后几十年来辉煌无比的“大科学”的走向衰亡,欧洲大型粒子对撞机的负面结果只是另一个脚注而已。

又到了诺贝尔奖颁奖的时节了,网上好像有很大的呼声说,这次的物理奖要给引力波了,我是很不以为然的——不是说这个工作不重要,而是说没必要这么着急。一百年前给爱因斯坦授奖的时候,那是多么的谨慎,仔仔细细地挑了个“光电效应”,连相对论都不敢提;一百年后,轮到引力波了,难道就等不及再一个独立的测量结果吗?

我能理解这次诺奖为什么颁发得这么快,因为可能的获奖者都年事已高,而对引力波探测有着重大贡献的德雷弗教授今年年初就过世了,其他人能挺多久肯定是个问题,而且独立的第三方测试结果肯定不是三年五载就可以出来的。我也能理解这次诺奖为什么颁发给巴里什教授,因为现在有太多的大科学工程,参与者的贡献很难衡量比较,这次可以算是诺奖委员会对尝试颁发团体奖的一次试水——所以我才有些调侃地说,这是首次颁发的诺贝尔管理奖。

这些我在理智上都能理解,但是在感情上却很难接受:特别重要的成果应该接受特别严厉的检验,毕竟这是要写进物理学史的工作。借着这次多信使天文观测事件,我想再说说为什么我觉得引力波探测需要更多的检验。


目前已经发现了5个引力波事件(表1),前4个都是双黑洞融合产生的。这种事件仅仅以引力波的形式释放能量,并没有任何电磁信号,也就是说,唯一的证据就是几台观测站近乎同时地观测到了类似的信号(或者说波形),与数值相对论的计算结果符合,而且排除了外界干扰造成了假信号这种可能。第5个也就是最近的一个引力波事件是两个中子星融合产生的,伴随着电磁信号的产生,伽马暴和光学测量都得到了结果。

引力波是非常微弱的信号。我们以第5次引力波事件GW170817测量的“原始数据”为例,简单说明一下引力波数据分析的困难

LIGO团队说,这次测量的信噪比是最高的,三个观测站的信噪比分别为LIGO Livingston26.4LIGO Hanford18.8VIRGO2.0。图一给出了LIGO Livingston在引力波发生时刻附近的应变数据:在几秒钟的时间里,应变的变化范围是10-17的量级,在几毫秒的时间里,应变的变化范围也有10-20的量级LIGO有很多的、各种各样的传感器来探测外界的微小扰动,这样才能把光滑的背景起伏消除,让应变的数据10-17的量级减小到10-20的量级,然后还要进行各种数据处理(主要是平均了),再与数值广义相对论计算的各种模式进行对比,才能确认量级为10-22的引力波信号。

1、引力波事件GW170817的“准原始数据”。数据来自于LIGO网站(Data release for event GW170817  https://losc.ligo.org/events/GW170817/

根据LIGO给出的三个观测站的灵敏度(图2),LIGO Livingston在100Hz附近(这是引力波信号的典型频率)是10-23/Hz1/2,根据采样定理,这里的噪音就应该是10-22的量级——也就是说,噪音跟信号大小相仿。作为一次性事件的测量,很难显著地提高信噪比。

其实,不用纠缠于这些数字的具体大小(这里也仅仅是估计),我们也可以说,引力波是非常微弱的信号,仅仅拿几个观测站测量结果之间的一致性以及和数值广义相对论计算结果的符合作为判断依据,恐怕还不足以让所有的人都服气。

2 LIGO LivingstonLIGO HanfordVIRGO的探测灵敏度。取自Phys.Rev.Lett.119.141101(2017)


幸运的是,还有第5次引力波事件,它得到了其他观测结果的支持。但是,这唯一的“多信使天文观测”事件,也有一些让人尴尬的地方。

这次事件的第一个预警来自于伽马暴监测卫星Fermi,它在检测到伽马暴GRB 170817A201781712:41:06 UTC)以后仅仅14秒钟,就自动发出了预警。LIGO尽管更早(大约早了1.7秒种)发现了GW17081712:41:04 UTC),但是在6分钟后才发出预警,而且还是较低的级别,因为这是根据LIGO Hanford数据给出的;大约40分钟后才发出了正式预警。人工分析的结果表明,在引力波事件发生的时候,LIGO Livingston碰巧发生了一个时间很短(几个毫秒)但幅度很大的瞬时扰动,导致LIGO自动报警程序认为不是两个探测器同时检测到了信号(因为它认为测量被污染了)。VIRGO也没有报警,因为数据传输出现了问题,而且巧合的是,引力波传来的方向碰巧是VIRGO干涉仪最不灵敏的方向(这个巧合对于确定引力波事件发生的方位却非常有利)。

LIGO有利的是,伽玛暴预警差不多每天都有一两次,而LIGO运行9个月的O2期间只预警了GW170817这一次与中子星有关的引力波(正好又赶上了Virgo投入使用),而且指认的空间范围比伽马暴方法小得多(图3)、并且给出了距离的估计,从而有力地促进了其他观测组的兴趣,也得到了后续观测结果的进一步支持——实际上,预警发出之后不到11个小时,天文望远镜就在预警的区间里观测了信号。

但是,LIGO毕竟晚了一步,而且是在伽马暴预警的提醒下才确认的。再说,伽马暴的定位虽然比LIGOVIRGO的定位差一些,但也不是不可接受(图三中浅蓝色圆环和深蓝色大圆的重叠区域),即使没有LIGO的结果,也很难说就不会有接下来的X射线和可见光观测。在我看来,LIGO并没有起到绝对不可替代的作用,我更好奇的是,天文学家们为什么要耐心地陪着LIGO团队玩沉默游戏,真的只是为了造一个大新闻吗?

这次事件的公布是在诺贝尔物理学奖宣布之后。LIGO团队和天文学界的保密工作做得很好,“暴风雨前的宁静”,干得漂亮。当然,圈内人肯定都是知道的,诺贝尔委员会当然也不会不知道。九月底公布GW170814(三个引力波观测站第一次同时观测到信号)前的骚动,更别说八月份的网上泄密、Nature报道了,只能提示我们制造大新闻需要做多少权衡了。

3、引力波事件GW170817和伽马暴事件GW70817A的定位。深蓝色的大圆是Fermi卫星伽马暴检测的定位范围,浅蓝色的圆环是根据FermiINTEGRAL伽马暴探测的时间差得到的定位范围。浅绿色的长条是两台LIGO的定位结果,而深绿色的小区间是LIGO/VIRGO共同定位的结果。取自Astrophy.J.Lett.848:L12(2017)


总结一下,已经报道了5次引力波事件,前4次没有其他支持,而第5次也就是唯一一次得到其他支持的,又跑得慢了一些。这样的成绩,恐怕很难让人特别安心的。

即使我们全盘接受这5个事件,它们的统计性质也有些让人不安。两个观测期各观测到两次黑洞融合事件,可是观测期间的长度却有很大的差别(分别是49天和117天),而且距离近的多、远的少(分别是410440540880Mpc)。而对于这种事件预期的发生几率,应该是跟时间长度和空间体积成正比的。考虑半径为2的一个球,其中,半径为1 的球核体积,仅仅是半径1-2的球壳体积的1/7,我们自然会预期发生在球壳里的几率要大7倍了。对于类似于GW170817(距离为40Mpc)的双中子星融合事件,LIGO团队估计LIGO LivingstonLIGOHanfordVIGRO的探测范围分别是218Mpc107Mpc58Mpc119.141101(2017))。简单地估计一下,类似的事件发生的范围仅为LIGO/VIRGO同时探测范围的1/3,仅为两台LIGO同时探测范围的5%,更是LIGO Livingston的探测体积的0.6%。也许我们应该预期更多的双中子星事件,也许仅仅被两个LIGO甚至只有一个LIGO“听到”。

当然,这很可能是因为检测到的事件还太少。所以,我们还需要更多的引力波事件,特别是双中子星融合这样的多信使天文事件。不幸的是,这可能需要很长的时间——等得不耐烦的人很多,不仅是可能的诺奖获得者,也不仅是诺贝尔委员会。


其实,我最好奇的是,LIGO团队说过,他们可以“注入”信号而不让别人知道。除了少数的几个人,LIGO团队(几千个人)可以把数据分析半年、却发现不了“信号”是注入的——这就很有意思了。

我理解,注入信号是为了检验LIGO工作是否处于正常状态,但是,所有的测量结果当然都有时间标记(time tag),所有的操作当然都有日志记录(log book),那么,为什么会有“注入”而不被觉察呢?


在我看来,引力波探测确实是科学界的一件大事,但是,诺贝尔物理学奖恐怕还不能算是对引力波探测结果的肯定,而是对引力波探测团队多年努力工作的支持。我们需要更多的观测结果来说话,比如说,再来100个黑洞融合事件,或者10个双中子星融合事件,或者其他什么还没有看到的多信使天文事件。

在此之前,LIGO团队除了进一步提高系统的灵敏度和稳定性以外,也许还应该努力做好两件事:让数据分享过程更快一些,至少应该比伽马暴预警快一些;让信息控制过程更宽松一些,不要总想着造个大新闻。



补注:

这是应观察者网孙珷老师邀请写的文章,仅代表个人观点。

http://www.guancha.cn/jiyang/2017_10_26_432285.shtml


篇首那两句话,应该配着《我要去桂林》的调子哼哼。






人类首次探测到引力波
http://blog.sciencenet.cn/blog-1319915-1082511.html

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