北京时间2017年5月31日深夜, LIGO和Virgo科学合作组织举行了一次内部媒体发布会, 确认了第三次引力波事件。24小时后，陆续地开始有新闻报道出来。

在内部发布会上，LIGO发言人麻省理工学院教授大卫•舒梅克首先宣布aLIGO发现了来自两个黑洞并合的新引力波事件GW170104,接着介绍了本次新发现引力波事件的基本特征。

接下来，就让我们了解下这次引力波事件是如何被发现的？以及与前两次相比，有什么异同之处？它的发现，揭示了什么有意思的科学呢？

1、什么是引力波？

引力波是广义相对论的一个理论预言：1916年，爱因斯坦想，既然物质的质量会引起时空弯曲，那如果该物体还在加速运动呢？更确切来说，在非球对称的物质分布情况下，物质运动，或物质体系的质量分布发生变化时，会怎样呢？时空弯曲的程度就会发生变化，表现为以光速向外传播的时空涟漪。（具体请参考“认识引力波”系列文章）

2、LIGO的历程家属

1989年开始针对激光干涉引力波观测站LIGO，向美国国家科学基金会申请获取支持，1992年终获批复，1995年开建，1999年启用。

真正的LIGO观测始于2002年，结束于2010年。

其中2009年至2010年的运行称作S6 run。在频率为100Hz处，LIGO的灵敏度已经达到1e-21，相当于LIGO能分辨出一根长4千米的臂极其微小的长度变化（10-18米，比电子还要小近千倍）。理论上，LIGO可以看到的引力波现象包括：距离我们几十万光年之外的两颗中子星绕转靠近直至并合过程所发出的引力波，超新星爆炸或伽马射线暴产生的爆发式引力波等。但历时9年LIGO并没有直接探测到引力波。

01 run: 2015年9月-2016年1月。2015年9月18日，升级后的LIGO（advancedLIGO,后简称aLIGO）重新开机运行，灵敏度提高至原来的10倍多，至2016年年初完成了第一期的运行，在此期间发现了两次引力波事件GW150914和GW151226。

02run：2016年11月30日-2017年9月。经过短暂的修正和调试，aLIGO从2016年11月30日开始第二次运行，预计2017年8月结束，在此过程中，aLIGO发现了第三个引力波事件GW170104。下一次的改造，可能始于2018年。

图1，图片来源：https://advancedligo.mit.edu/adligo_news.html

3. LIGO探测引力波的原理

如果一个物体受到引力波的影响，那么它将会一个方向上被压缩，另一个垂直的方向上被拉伸。目前最先生的引力波地面探测器均呈L型，利用激光干涉技术，通过研究激光束的干涉条纹，来探索两臂相对长度是否受引力波影响而变化。

以升级后的LIGO（advance LIGO,简称aLIGO）为例，它有两个L型迈克尔逊激光干涉仪，分别在华盛顿的汉福德和路易斯安那的利文斯顿（后分别简写成H1和L1），两者相距3000多千米。对于其中的一个L型探测器，两臂长度均为4千米，一束激光被分光镜分为互相垂直的两束。由于在交叉处和每一条臂的末端都垂放着大约直径34厘米、重达40千克的反射镜，因此每束激光都分别在一系列反射镜上来回反射很多次，最终回到交叉处发生干涉。如果两臂长度保持不变，那么将最终干涉相消，光线不会抵达光电探测器，即最终在输出上看不到干涉信号。但是如果由于引力波轻微地拉伸一条臂，压缩另一条臂，相互干涉的两束激光束就不再能干涉相消，干涉结果将显示出来，使光线外泄到光电探测器上。输出的信号中就蕴含了两臂的相对长度变化，进而告诉我们引力波的消息，LIGO探测器主要测量的就是这种由于两臂相对长度变化带来的干涉信号。

4. 为什么探测引力波很难？

（1）  引力波信号的强度很低。哪怕是很强的天体物理引力波源所释放的引力波强度，到达地球时也只有1e-21。这个强度的引力波在日地距离上所产生的空间尺度变化仅约1e-10米；而在整个地球这么大的尺度上产生的空间畸变不超过1e-14米，刚好比质子大10倍；在LIGO的长4000米的探测臂上所引起的尺度变化仅约1e-18米，相当于质子大小的千分之一。如何解决这一问题呢？使设备足够灵敏；激光强度足够强，提高设备灵敏度等。

（2）干扰信号多而复杂。如何消除这些噪音信号，是难中之难。

5. LIGO进行的升级有哪些？

由于目前LIGO探测到的引力波多是从30到500Hz，其中100至300Hz的引力波探测灵敏度主要受热噪声影响，而热噪声又主要是由于反射镜的镀膜（coating）和基底(substrates)材料影响。

在S6阶段时，反射镜的材质是熔融石英，25厘米口径，11千克，连接的材料是钢线；而O1时，反射镜的口径增大至34厘米，质量达40千克，连接的材料是熔融石英。熔融石英材料的具有接近零的热膨胀，具有良好的抗热震性。采用这种材料和方式，能减小由于热噪声造成的镜子的扰动。（参考：https://www.advancedligo.mit.edu/overview.html）

600Hz附近的灵敏度主要受霰弹噪声（激光强度的涨落在干涉仪输出端所引起的噪声）影响，霰弹噪声可以通过增强入射激光功率来减小。S6时用的功率是20W；01时用的是22W。而且从S6到O1，还采用了dual recycling technique来减弱霰弹噪声。

O2运行阶段，H1用的功率从22W升到50W，从而降低了在高频端的霰弹噪声，而L1功率未变，但因为降低了散射光噪声（通过对光学控制的精调,fine tuning of the control of theoptics）对低频段（25-100Hz）的影响，所以本领也提升了。同时，The network duty factor of the LIGO detectors in the second observing run is about 51% while it was about43% in the first observing run.（说明：此处先保留资料，供自己和有兴趣的人进一步学习。）  

未来aLIGO还希望继续提升入射功率至200W，虽然减小了霰弹噪声，但代价是增加了parametric instabilities(缩写成PI’s)、辐射压噪声，也可能造成传感二极管的饱和。【注】

6、这次的引力波事件是如何探测到的？

一般来说，最初的探测是由低延迟搜索方式来识别，3分钟之内，该方法标定这一信号是引力波事件。随后，专家们利用匹配滤波器法来进行后续分析，相当于提前已经预备好一个储备有大量的计算机模拟出来的引力波信号的数据库，要从这个数据库中找到与观测信号最匹配的模拟结果。

对于GW170104，其实在O1 run之后，它便从L1的数据中被预报出来，但由于H1的calibration state在低延迟搜索方式中（low-latency system）没有设置正确，所以没有预警。经人工调整，确定L1和H1的calibration 都处于一般状态（nominal state）后，就将初步确定的事件位置通知全球合作的天文学家，方便他们进行电磁波段的观测。(参考：http://ligo.org/detections/GW170104/paper/GW170104-PRL-Final.pdf)

然后，继续进行更精细的线下分析，确定它是引力波事件的置信度。针对O2 run得到的数据，科学家们采用了更严格的方法来估算误报率，使用了L1和H1同时观测得到的数据，观测时间跨度要大于5天。

7.这次发现的引力波事件GW170104的特点？

通过比对此次观测的波形和不同参数模型，此次发现的引力波事件和之前的两例类似，也是来自于两个黑洞的合并。

在合并之前，两个黑洞的质量分别为31.2和19.4个太阳质量，合并后产生了一个48.7太阳质量的黑洞。黑洞合并的一瞬间，以引力波的形式释放出了近2个太阳质量的能量，那一刻所产生的能量要比整个宇宙中所有恒星释放出来的能量之和多几十倍。

这次引力波事件被LIGO的H1和L1观测到，H1早探测到了3毫秒。整个信号过程只持续了短短的0.1秒。

三次引力波事件的参数对比：

图2：LIGO汉福德(H1,左图)和利文斯顿(L1,右图)探测器所观测到的GW150914引力波事件。图中显示两个LIGO探测器中都观测到的由该事件产生的引力波强度如何随时间和频率变化。两个图均显示了GW150914的频率在0.2秒的时间里面“横扫”35Hz到250Hz。GW150914先到达L1，随后到达H1，前后相差7毫秒——该时间差与光或者引力波在两个探测器之间传播的时间一致。（此图编辑自Abbott et al., 2016, PRL, 116, 061102的图1）

图3：LIGO汉福德(H1,左图)和利文斯顿(L1,右图)探测器所观测到的GW151226引力波事件。图中显示两个LIGO探测器中都观测到的由该事件产生的引力波强度如何随时间和频率变化。两个图均显示了GW150914的频率在约1秒的时间里面“横扫”35赫兹到450赫兹。GW151226先到达L1，随后到达H1，前后相差1.1毫秒——该时间差与光或者引力波在两个探测器之间传播的时间一致。（此图编辑自Abbott et al., 2016, PRL, 116, 241103中的图1）

图4：GW170104的频率在约0.1秒的事件里面“横扫”35赫兹到350赫兹。GW170104先到达H1，随后到达L1，前后相差3毫秒。（此图来自Abbot et al. 2017, PRL, 118,221101中的图1）

8、这次探测到引力波信号GW170104的意义

（1）验证广义相对论

（2）发现更大质量的恒星质量黑洞

LIGO看到的都是恒星级质量黑洞。应该说在2016年之前，人们是通过电磁波段发现恒星级质量黑洞，最大的质量也只有15倍太阳质量。所以人们通常认为，更高质量的黑洞在宇宙上是不存在的。

但LIGO让我们意识到更高质量的恒星级黑洞的存在，第一次的62倍太阳质量，第二次的21倍太阳质量，和这一次的49倍太阳质量。

图5：引力波探测到的黑洞（蓝色和绿色）和电磁辐射探测到的黑洞（紫色）对比图，引力波探测到的黑洞质量都是比较大的。图中绿色的是新探测的黑洞系统GW170104。图片版权：LIGO/Caltech/Sonoma State

（3）试图解开双黑洞形成之谜

通过模型比对，科学家们发现，GW170104对应的这两个黑洞存在着所谓“进动现象”（precession），也就是说，黑洞自身转动方向和两个黑洞绕转的轨道平面并不完全一致，存在着一定夹角。

目前有两种不同的理论，用以解释双黑洞的形成：其一是两个大质量恒星诞生之初就在一起，之后一同演化到老，最终形成双黑洞系统。按理论预计，双黑洞系统的前身——双星系统诞生于同一片星云，因此两个黑洞的有效旋转方向和轨道运动方向通常是一致的。

另外一种形成机制是双黑洞形成于星团当中，两个黑洞在星团中是独立形成的，然后才走到一起，形成双黑洞系统。因为星团中心通常比较致密，这种可能性也很大，无论是从理论还是数值模拟，都已证明了这一现象的发生。在这种方式下，两个黑洞的旋转方向无需一致，以致两黑洞的有效旋转方向和轨道运动方向不一定一致。

此次引力波观测拟合结果显示两黑洞的有效旋转方向和系统轨道运动方向不一致，倾向于第二种形成机制。（详情还可参考：苟利军 黄月 “叒见引力波 关于30亿年前宇宙大事的科学家秘密会议记录” ）

（3）验证相对论

9. 有什么遗憾？

空间定位精度还不够高，三次引力波事件在天球中的位置范围都是几百平方度，而几百平方度对应的星系太多，无法定位到合并黑洞所在的星系。今年秋天，欧洲的Virgo探测器将一起加入观测，届时就有了三个探测器，观测的空间精度将会大大提高。

受限于灵敏度，科学家们至今还没有看到双中子星合并、中子星与黑洞合并，以及超新星爆发等等产生的引力波事件。

可以确定的是，接下来随着探测能力的提高和更多引力波望远镜的建立，将会看到来自其它天体的引力波以及他们的对应体。

10.研究引力波对人类有哪些的意义？

引力波将帮助探索物理上一些重大问题。如为黑洞的存在与否提供更直接的证据（尽管科研团体中已对黑洞的存在非常确定，证明黑洞存在的证据多是黑洞对周围物质所带来的影响，而不是黑洞本身。引力波的发现，尤其是源于双黑洞并合所产生的引力波的发现，将是对黑洞真实存在的一个强有力证据，测量黑洞的自转和质量），回答广义相对论是否正确描述了引力？双黑洞碰撞前后以及碰撞瞬间发生了什么？超新星爆炸的具体细节是什么？超新星爆炸后，中子星和黑洞是如何形成的？

引力波为探索宇宙打开了一扇新的窗户，势必会带来更多的科学新发现。过去所做的大部分天文学研究是基于不同形式的电磁波，但电磁波容易被介于目标天体和观测者之间的物质散射或吸收等。如果观测手段是引力波，因为宇宙相对于它们近乎透明，影响微弱，人们将可能观测到在其它方式下被阻挡的天体，以及并没有产生电磁辐射的天体现象。也许有一天，我们可以通过引力波追溯到宇宙的极早期。

技术推动新发现，反过来，探索新发现这样的应用需求也会驱动技术的发展。

注：The strategies for mitigating PI's involve the tuning of the thermal compensation system's ring heaters to adjust the frequencies of the mirror modes, and the addition of mechanical damping capability for these modes.  

Radiation pressure noise and sensor saturation are being addressed through continued optimization of the detector's angular control system. （参考https://www.advancedligo.mit.edu/adligo_news.html）