昨晚震动全球的特大新闻，想转又看不懂？引力波什么鬼

北京时间10月16日22时，在整个天文学界因一则重磅预警“炸锅”后，吊足胃口的美国国家航空航天局（NASA）、欧洲南方天文台、南京紫金山天文台、英国科技设备委员会、法国国家科学研究中心等全球数十家科学机构终于联合宣布了重大成果：从约1.3亿光年外，科学家们首次探测到壮丽的双中子星并合产生的引力波，及其光学对应体。

该成果由美国“激光干涉引力波天文台”（LIGO）和欧洲“处女座”（Virgo）引力波探测器及全球其他70个地面及空间望远镜共同完成的。相关论文发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）、《自然》等期刊上。

LIGO团队在2016年2月正式宣布成功探测到由双黑洞并合产生的引力波，完成了爱因斯坦广义相对论的最后一块拼图，由此众望所归地捧走了今年的诺贝尔物理学奖。然而，这次全球共同完成对同一个天文事件的引力波与电磁波的首次联合观测，才正式标志着天文物理掀开多信使时代的新一页。

清华LIGO科学合作组织工作组负责人曹军威向澎湃新闻介绍，之前LIGO和Virgo探测到4次来自双黑洞的引力波信号，在LIGO探测器的敏感频段内只能持续不到一秒的时间，然而，在8月17日探测到的这个持续了100秒，并且扫过了LIGO的整个灵敏频段——这个频段与一个普通乐器能产生的声波频段几乎相同。科学家们可以识别这个天体源的质量远比迄今观测到的所有黑洞的质量都要小得多。

LIGO的数据指向了两个距离地球1.3亿光年的相互旋进的天体。数据显示这个天体系统的质量没有双黑洞大，估计为1.1~1.6倍太阳质量，恰好是中子星的质量范围。对于噪音背景的分析显示，这种强度的信号是由一致性随机噪音产生的概率低于每8万年一次。

引力波是爱因斯坦广义相对论中的重要推论。时间和空间会在质量面前弯曲，时空在伸展和压缩的过程中，会产生振动传播开来，这些振动就是引力波。我们在地球上随时随地都可能遭遇来自宇宙中各种源头的引力波：两个黑洞并合、碰撞；中子星旋转、并合；超新星核塌缩等。

LIGO团队此前探测到的4次引力波事件，均由双黑洞形成。全世界都在期待，中子星能出现在引力波事件中。

恒星演化到末期，经由引力探索发生超新星爆炸，根据质量的不同，内核可能被压缩成白矮星、中子星或黑洞。中子星几乎完全由中子构成，是目前已知的最小、致密的恒星。一小勺中子星物质就可能重达10亿吨。双中子星系统在围绕中心旋转的过程中会不断放出引力波，导致系统能量降低，轨道缩小，并最终撞在一起，释放出强烈的引力波。在最终并合前的100秒以内发出的引力波信号正好位于激光干涉仪的灵敏频段内，因此有机会被观测到。

激光干涉引力波观测台和室女座探测器日前从由两个质量不等的黑洞并合的星中捕捉到了史上第一个引力波。

引力波研究组的期望已经实现了：引力波的发现现在算是他们日常工作的一部分了，因为每周他们都会在之前的观察运行（即国际引力波探测网络第三次观测运行，O3）中选出新的候选引力波。但是现在研究员们公布了一个不同于以往任何一个的显著的信号：GW190412，这是对双黑洞并合星系的首次观测。在这个系统中，两个黑洞的质量完全不同，分别是太阳质量的8倍和30倍。而这一引力波不仅提供了更多关于这一系统天体物理性质的珍贵测量数据，也使得激光干涉引力波观测台和室女座探测器的科学家们能够验证关于爱因斯坦广义相对论的，一个至今未被证实的预测。

Frank Ohme是Max Planck（马克斯-普朗克研究所）中二元合并观测和数字相对论独立研究小组的领导者。他称道：

在GW90412中，我们首次“听到”地确切的高次谐波的嗡嗡声引力波和乐器的泛音类似。在质量不相等的系统中，例如对这一类型首次观测的G190412中，这些引力波信号中的泛音比我们通常观测到的更响些。这就解释了为什么我们以前没有听到，但是最终在GW190412中听到了。

此次观测再次证实了爱因斯坦的广义相对论，该理论预测了这些高次谐波的存在，也就是目前观测到的基频为正常两到三倍的引力波。Roberto Cotesta是波茨坦研究所天体物理学和宇宙学相对论部门的博士生。他说：

如果分开来看，位于GW190412中心的两个黑洞的质量有太阳的8倍和30倍大。这是我们发现的首个两黑洞质量相差甚远的黑洞双星系统。

如此大的质量差异，意味着我们可以更加准确地测量这个黑洞双星系统的几个属性：系统与地球的距离，我们观察系统的角度，以及大质量黑洞绕轴自转有多快。

2019年4月12日，处于第三次观测运行（O3）早期的激光干涉引力波观测台和室女座探测器均观测到GW190412。分析显示，这个双黑洞合并发生在距地球19亿至29亿光年之间。鉴于此前激光干涉引力波观测台和室女座探测器所观测到的双星系统中双星质量相差无几，这次观测到的质量不等系统是一个独特的发现。

不等质量的物质会在观测到的引力波信号上留下自己的印记，从而使科学家能够更精确地测量系统的某些天体物理学特性。高次谐波的存在使我们有可能打破到系统的距离和我们观察其轨道平面角度之间这一模糊的界限；因此，与没有高次谐波的等质量系统相比，这些特性的测量精度更高。亚历山德拉·布南诺（Alessandra Buonanno）是波茨坦AEI天体物理学和宇宙相对论部门的主任。她说：

在（观测运行）O1和O2期间，我们已经观测到了由恒星质量黑洞组成的二元系统的冰山一角。多亏了灵敏度的提升，GW190412开始为我们揭示一个更多样的、潜伏的种群，质量的不对称性可以多达4倍，黑洞自旋达到广义相对论允许最大值的40%。

AEI的研究人员对探测和分析GW190412做出了贡献。他们提供了精确的合并黑洞引力波模型，该模型首次同时包含了黑洞自旋的进动和多极矩，而非主流的四极矩。这些波形（引力波观测中看到的波浪状模式）中的特点对提取波源信息和开展广义相对论检测至关重要。位于AEI波茨坦的高性能计算机群Minerva 和 Hypatia，以及位于AEI汉诺威的 Holodeck 对该信号的分析贡献显著。

位于波茨坦高尔夫球场的AEI高性能计算集群Minerva。由AEI阿明·奥库拉（Armin Okulla）拍摄。

检验爱因斯坦的相对论

LIGO/Virgo的科学家们还利用GW190412来寻找与爱因斯坦广义相对论相悖的信号，尽管该信号的性质与迄今为止所发现的所有信号都不同，但研究人员仍未发现它与广义相对论有显著差异。

一个用压缩光改进的国际探测器网络

这是国际引力波探测网络第三次观测运行（O3）所报告的第二次发现。这三个大型探测器的科学家们已对仪器做了多次的技术升级。汉诺威研究所所长、莱布尼茨大学引力物理研究所所长卡斯腾·丹兹曼说：

在O3的观测运行中，压缩光被用来提高LIGO和Virgo的灵敏度。这样细微调整激光量子力学特性的技术为英德探测器GEO600首创。

2个已经完成，还有54个正在研究中

在观测运行O3期间（自2019年4月1日至2020年3月27日，除去2019年10月的升级和调试期），探测器网络已经为56个可能的引力波事件（候选）拉响警报。这56个事件之外，另一个确定的信号，GW190425，已经被发表。激光干涉引力波观测台和室女座探测器的科学家们正在检查剩余的54个候选对象，并将发表这些结果；为此，需要做详细的后续分析进而从天体物理角度确定它们的起源。

GW190412的的发现意味着某些类似的系统可能和模型预期的一样普遍。此外，随着其他引力波和未来大事项的不断出现，越来越多的宇宙信号将被发现。而任何一项发现都会助力宇航员进一步加深对黑洞和二进制系统的形成原因以及对时空基本物理的新认识。

总结：LIGO和室女座引力波探测器目前已经捕获了来自两个质量不相等的黑洞合并的第一道引力波。

作者 ：EarthSky Voices

FY ：Astronomical volunteer team

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