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于无声处听惊雷:引力波探测成功4周年 精选

已有 4820 次阅读 2019-9-14 20:02 |个人分类:大众物理学|系统分类:科普集锦

 于无声处听惊雷

——引力波探测成功4周年


2015年9月14日,全面升级后的LIGO(激光干涉引力波观测站)还有几天才正式投入使用,可是谁也没想到,盼望多年的引力波突然到来了——这就是GW150914引力波事件。LIGO团队在内部全面检查可能引起这次事件的原因,同时对外界严格保密。在随后的4个月观测期里,他们又检测到了一例引力波事件。

2016年2月11日,LIGO团队宣布,首次直接探测到了引力波,而且这是首次观测到了双黑洞的碰撞与并合。UTC时间(协调世界时)2015年9月14日9点50分45秒(北京时间17点50分45秒),LIGO位于美国路易斯安那州的利文斯顿(Livingston)和华盛顿州的汉福德(Hanford )的两个的探测器,观测到了一次置信度高达5.1倍标准差的引力波事件:GW150914。

   

 

全世界都沸腾了,各种赞扬和荣誉纷至沓来。有人说,LIGO团队太沉得住气了,以至于错过了2016年诺贝尔奖的提名截止期(1月31日)。但他们只不过多等了一年而已。2017年初的诺贝尔奖提名肯定没有被错过,而在那时候,引力波的第二次观测期刚刚开始、还没有公布任何新的观测结果。

2017年9月,仿佛是为了向诺贝尔奖冲刺,LIGO团队先后发布了两个重大新闻。第一个是位于欧洲的VIRGO在7月底正式投入使用,并很快就和LIGO一起探测到一例引力波事件GW170814,而且定位的精度有了极大的提高。第二个更是重磅新闻,他们观测到了黑洞和中子星并合的引力波事件GW170817,而且后续的天文学观测看到了与之伴生的电磁信号(伽马射线、光学信号,等等)——引力波触发的多信使天文学时代似乎已经到来了。

2017年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·外斯(Rainer Weiss)教授、巴里·巴里什(Barry Clark Barish)、基普·索恩(Kip Stephen Thorne)教授。而此时观测到的引力波事件一共只有5次。

 


几十年的奋斗,几千人的努力,几十亿美元的投入,终于得到了预期的成果和荣誉。但是生活和工作仍然要继续。

2018年12月,LIGO团队宣布,经过耐心细致的分析,他们在前两期探测的数据中又发现了6次引力波事件。这样,总共发现的引力波事件数上升到11次:第一个探测周期(4个月)发现了3次,而第二个探测周期(8个月)发现了8次,其中有6次出现在最后一个月里,也就是LIGO和VIRGO共同工作的时期。

2019年4月1日,为期一年的第三次引力波探测开始了。根据LIGO团队发布的信息来看,探测灵敏度有了显著的提升,探测体积增大的原来的大约3倍,预期会看到更多的引力波事件,还有可能看到新类型的事件。从事天文学观测的科学家们更是充满了期望,希望能够看到更多的引力波触发的多信使天文学事件。

 

然而,前两个月的结果最多只能说是让人喜忧掺半。喜的是,确实观测到了更多的引力波事件;忧的是,引力波事件出现的频次似乎并没有显著提升。比较第二观测期最后一个月和第三观察期前两个月的探测事件数(在这三个月里,三台探测器是同时都正常工作的),可以看到并没有什么明显的变化(分别是6次、5次和8次),如下图所示。从这个图还可以看出,引力波事件似乎也不是随机分布的,例如,在5月10-21日这11天里,发生了7次引力波事件(21日更是发生了两次),而在接下来的11天里,1次也没有发生。

 

在4-5月这两个月里,发现了10多次引力波事件,300多次的跟随观察。但不幸的是,目前还没有任何观测结果表明与引力波有什么关系。典型的后续观测报告是,听到引力波事件发生的消息以后,我们马上(尽最大可能,尽最快速度)去那里看了,但是什么也没看到。具体的说法有很多种,有些是直接说没看到,有些是什么也不说,有些是给出了自己的观测范围,有些是给出了相关信号的上限(其实就是他们仪器的观测噪音本底),有些说我们正在分析数据,如果有什么东西,我们将来会宣布的。在最近几周里,很多观测报告直接在题目里说“没有看到”或“给出上限”——也许大家都有些疲劳了。

S190425z是个大事件,引起了100多次后续观测,因为这是双中子星合并事件(概率是99%),很有可能引起其他可观测的天文学效应,就像GW170817那样。很多观测站都关注并测量了随后的事态发展,但是并没有发现什么。有个说法是,即使发生双中子星并合事件,也不一定能出现其他可观测的天文学事件。比如说,伽马暴的观测结果可能依赖于双中子星的转动轴与视线的夹角——如此看来,GW170817可真是幸运啊。

 

2019年8月14日,观测到了一种新的引力波事件S190814bv,据说它可能是黑洞和中子星的并合事件。接下来又是大约100次的后续观测,然而谁也没有看到什么东西(我是说可以确认的)。现在,第三期探测已经进行了5个多月,总计宣布了35次可能的引力波事件,引起了800多次的后续观测,然而并没有出现引力波触发的多信使天文事件。

下图简单总结了过去5个半月里公布的引力波事件。从4月1日到9月14日,一共公布了35个(最上面的一排蓝色点),其中有7次虚报(紧挨着的桔色圆圈)。中间的一行把剩下的28次事件按照类型画了出来,其中有20次双黑洞事件(黄色点),6次双中子星事件(蓝色点),2次黑洞中子星事件(绿色点)。最下面一行给出了虚报事件的类型,除了第一次虚报没有给出类型以外,其他有4次虚报为双中子星事件(蓝色点),1次黑洞中子星事件(绿色点),1次“质量间隙MassGap”事件(红色点)。为了看起来更清楚,发生在24小时以内的第二次事件,都向上略微移动了一些。

 

 

 

作图说明:在虚报的情况里,事件的起因大多是先归因于“地面”,然后才是“双中子星”、“黑洞中子星”或“质量间隙”,LIGO发出的通告也是给出这几种可能性的百分比。我在作图的时候,把地面因素都去除了,采用的是下一个可能性最大的原因。

 

由此看来,对双黑洞事件的判断是最准确的,从来没有虚报。但不幸的是,这种类型的引力波事件不会触发任何其他天文学观测。有可能导致多信使天文学事件的双中子星并合与黑洞中子星并合,虚报的可能性超过40%,而唯一的“质量间隙”事件也是虚报的。这些还不是最让人丧气的,真正让人气短的是,它们没有导致任何多信使天文学事件——截止到914日,关于引力波事件及其后续天文观测的GCN报告已经有800多条,但并没有一次像GW170817那样的后续电磁事件的报道。

 

这就自然会让人想到许多问题:

探测灵敏度大幅提高以后,为什么观测到的引力波事件反而少了?难道是LIGO团队在公布结果的时候有所保留?现在基本上是每月平均4-5次,与20179月时公布的最后一个月2次相比,还是多了的,但是与201812月公布的最后一个月7次相比,就有些太少了。

LIGO团队在关键时刻总是得到很好的结果,真的是“强者运强”吗?比如说,第一次引力波事件GW150914出现在系统正式投入运行之前几天,而且具有最大的信号幅度。再比如说,第一次黑洞中子星并合事件GW170817出现在VIRGO正式投入运行之后不久,而且是在伽马暴监测卫星宣布检测到伽马暴GRB 170817A之后6分钟,LIGO才发布了引力波事件GW170817的预警,使得这唯一的一次引力波“多信使天文观测”事件的成色有所不足(这是信噪比最高的一次,同时也是受到巨大干扰的一次)。

引力波事件的出现频次看起来不是很像随机的。集聚和离群的情况都让人有些迷惑。在5月10-21日的11天里,发生了7次引力波事件(21日更是发生了两次),而在5月22日-6月29日这一个多月里,以及在7月28日-8月27日这一个月里,都只发生了一次。在24小时内发生两次引力波事件的情况,出现了4次。最短的一次间隔只有21分钟(8月28日)。

自8月份以来,不是双黑洞的引力波事件(双中子星事件2次,黑洞中子星事件2次)竟然多于双黑洞事件(2次),而虚警次数也显著增加(共4次,其中双中子星事件3次,黑洞中子星事件1次)。是不是哪里出了问题?

 

这些又让我想起了以前的一些疑惑。

LIGO在更早期的运行中,是可以注入假信号的,而且只有几个人知道是否注入了假信号,其他人即使花费半年时间也找不出岔子来。但是这个假信号到底是怎么注入的?别人为什么不能发现?似乎并没有详细的报道。这种注入方法是用硬件还是软件实现的?也不是很清楚。

LIGO的Hanford 观测站本来是有两台激光干涉仪的。除了4公里臂长的那台以外,还有一台2公里臂长的。以前提出的探测判据之一就是,这两台应该同时测量到信号,而且信号大小应该是2:1。可是在升级LIGO的时候,2公里臂长的引力干涉仪被拆掉了,有人说是它会干扰4公里臂长的干涉仪,也有人说,是为了支援印度建设引力波观测站。但我总是觉得有些怪怪的。

丹麦有个研究小组,对于GW150914事件的信号提取和噪声消除,一直有着不同的看法。细节就不说了。

 

这些问题都没有显而易见的答案,让人想得头疼。我推开键盘,起身走向书架,想找本书来消遣一下,可以是曹禺,

所有的帷幕都是崭新的,一切都是兴旺的气象,屋里家俱非常洁净,有金属的地方都放着光。屋中很气闷,郁热逼人,空气低压着。外面没有阳光,天空灰暗,是将要落暴雨的神气。……午饭后,天气很阴沉,更郁热,潮湿的空气,低压着在屋内的人,使人成为烦躁的了。

也可以是高尔基,

在苍茫的大海上,狂风卷集着乌云。在乌云和大海之间,海燕像黑色的闪电,在高傲的飞翔。……这是勇敢的海燕,在怒吼的大海上,在闪电中间,高傲的飞翔;这是胜利的预言家在叫喊:让暴风雨来得更猛烈些吧!

但最后,我还是拿起了鲁迅,

沉默啊,沉默啊!不在沉默中爆发,就在沉默中灭亡。

 

我只能说,引力波触发的多信使天文学时代还没有到来。这当然不取决于我的看法,而只取决与科学和技术的进步。也许他明天就会到来,也许永远不会到来,而我只能耐心地“等待戈多”。

引力波已经发现四年了。在过去的四年里,引力波引起了全世界的关注,获得了世俗社会里最高端的荣誉——诺贝尔物理学奖,但是在四年后的今天,引力波仍然需要接受科学殿堂上最严厉的检验——独立的实验观测证明。

 




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