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认识引力波VI——引力波事件GW150914
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从发布会，我们终于知道了从去年9月份就开始频出的传言“探测到了引力波”的真实情况。在2015年9月14日17点50分45秒，LIGO的两个探测器观测到了一次置信度为5.1倍标准差的引力波事件：GW150914。引力波源是两个已经并合的黑洞，基于对信号波形的分析，可以推知并合前质量分别是36倍和29倍太阳质量，并合之后质量为62倍太阳质量，减少的3倍太阳质量（能量）以引力波方式被辐射出去。这表明了人类首次直接探测到了引力波，直接看到了一次双黑洞并合。
LIGO的精度是1e-21次方量级，对于4000米的干涉臂来说，相当于可以检测出千分之一质子大小的距离变化。升级后的LIGO精度提高了10倍，相当于可以检测出万分之一质子大小的距离变化。尽管传递到地球的引力波信号很微弱，但鉴于LIGO的高精度，其被探测到的置信度是5.1倍标准差，表明了这是一次真实的引力波事件。
LIGO看到了什么？如何确定了这是一次引力波事件？又如何确定引力波源是双黑洞并合？
根据2月11日发表的PRL文章，我们知道的是：2015年9月14日UTC时间9点50分45秒，位于汉福德和利文斯顿的LIGO天文台探测到如图1第一行所示的GW150914信号。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。匹配结果如图1第二行所示，果然找到了最匹配的模拟结果。
图1：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。（此图版权为LSC/Virgo Collaboration所有）
最匹配的数值模拟结果对应的又是怎样一个物理情景呢，看图2：
三个阶段：旋进、并合、铃荡。（此图版权为LSC/Virgo Collaboration所有）
关于如何理解这三个阶段，LIGO科学合作组织中的陈雁北老师作出了深入浅入的介绍，我就不班门弄斧了，以下将直接饮用他在公众微信号“知社学术圈”发表的文章《爱因斯坦都不敢想象, 我们真的探测到引力波!》。
从波的频率演化看，在低频的部分开始。
第一阶段：两个黑洞的引力波频率从30Hz开始。这在引力波天文学中是比较低的频段，但是这就意味着黑洞是15Hz轨道频率。再具体点就是，这两个黑洞分别为36和30太阳质量，每个半径大约是一百公里左右，距离是一千公里，每秒钟互相转15圈。
第二阶段：到两个黑洞快并合的时候，引力波频率达到100Hz，轨道频率50Hz，就是每秒钟转50圈。这个时候两个黑洞已经快形成一体了，它们每个人“中心”之间的距离大概是两百公里左右。
第三阶段：然后，这个合并成一体的扭曲的黑洞继续震荡，逐渐变成一个新的、旋转的黑洞（科尔黑洞）。这个黑洞的质量是63个太阳质量，它的半径大约是160公里。在这个震荡的过程中，这个黑洞主要示发射频率在240Hz左右的引力波，说明它在以120Hz左右旋转，也就是每秒钟120圈。这个过程也可以看作是引力波在黑洞的“光球”周围绕转，并且逐渐逃逸到远处。
为什么最终的质量小于两个并合黑洞之和呢？我们不是说过引力波携带能量吗？有一部分的质量以引力波的形式被释放了。这些引力波携带的能量等于3个太阳质量，相当于百分之五的“质量”转化成了“能量。顺便说一句，号称宇宙中最亮的天体伽马射线暴一般释放几千分之一太阳质量所相当的能量。这次引力波功率峰值达到整个可见宇宙发光功率的50倍。
黑洞离地球的距离，是从引力波的绝对振幅所推断的。根据这个推断，我们得知碰撞过程发生在14亿光年以外。对应到标准宇宙学中的“红移”，这个事件所在的红移是0.09。在这个事件发生的时候，咱们的宇宙的“尺寸”是现在的91%。
aLIGO的两个天文台探测到该信号的时间间隔仅7毫秒，而两个天文台之间相距3003千米，大概可以确定引力波源所处的方位，大概位置在600平方度范围内，而精确位置却无法确定。这刚好表明“这还只是个开始”，未来有了更多引力波激光探测器的加入，有了电磁波望远镜的跟进观测，科学家们一定能精确定出它的家。
诚如Kip Thorne在发布会上说的，“一扇窗户的打开，往往会带来惊喜。”相信引力波的发现所打开的窗户，会带来更多的惊喜。
如今，一个巨大的发现离不开国际合作。就拿“LIGO发现引力波”来说，这是16个国家、1000个科学家25年来的辛勤成果。回想40多年前，虽然理论上有引力波，但在观测上能否被探测到、几率高低、试验设备精度如何都还是未知数，有人愿意使出浑身解数说服、筹钱、参与和付出，该是多么富有英雄气概；而作为资金赞助方的基金机构，也得有一定的魄力和视野吧，能看到该领域的潜力，也愿意承担风险，坚持长达几十年地支持该项目。当然，这其中的苦乐只有参与者才是最真切体会的。
未来，国际上将会有更多的类似观测设备与LIGO展开合作，就好像LIGO的两个探测器一样彼此验证信号的真实性，并帮助确定引力波源的真实位置。
人类首次探测到引力波
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