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引力波发现的这五年 引力波的发现

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引力波的发现(引力波发现后的五年)
2016年2月11日，美国激光干涉仪引力波天文台(LIGO)宣布了本世纪以来人类最重要的科学发现之一:引力波 。这个被命名为GW150914的信号是由两个LIGO探测器在2015年9月14日记录的 。它起源于14亿光年外质量约为太阳30倍的两个黑洞的剧烈碰撞和合并 。
在过去的五年里，欧洲的LIGO和室女座引力波探测器先后发现了50个引力波信号 。如今，引力波的发现已经成为常态 。探测器运行期间，基本上每周都有新的发现 。即使为了区分同一天探测到的多个事件，天文学家也必须在引力波信号名称的探测日期后加上“分和秒” 。
紧凑二元系统的形成
LIGO和室女座发现的50个信号都来自两个致密天体的旋转和合并 。这种致密天体，中子星或黑洞，是大质量恒星生命最后时刻超新星爆发的壮烈过程产生的 。为了形成Virgo处女座探测到的致密双星系统，通常有两种方法 。
第一种方法从两颗大质量恒星的双星系统出发，这两颗恒星先后经历超新星爆发产生两个致密天体 。这个过程的关键是，两体系统必须经受两次超新星爆发而不被分离，形成的两个致密天体之间的距离必须足够近，以便引力波的辐射能够驱动它们绕圈，直到它们最终合并 。
第二种方式发生在包含大量致密天体的致密星团中 。在这种“拥挤”的环境中，两个原本不相关的致密天体可能会随机相遇并形成一对 。球状星团就是这样一个环境 。其中心区域的恒星密度非常高，两颗恒星之间的距离可能只有一个太阳系的尺度 。当星团中的大质量恒星率先形成黑洞时，这个黑洞可能会因为质量大体积小而迅速沉入星团中心 。接下来黑洞经历一系列的二体、三体甚至多体相互作用，最终找到另一半(黑洞或者中子星) 。
黑洞和中子星的质量和旋转 。
黑洞或中子星的质量和自旋可以从引力波的观测中推断出来 。目前Virgo处女座探测到的50个信号中，双黑洞并合事件占绝大多数，双中子星并合2例，中子星-黑洞并合1例，另1例尚不清楚是两个黑洞并合还是中子星-黑洞并合 。
在发现引力波之前，通过对X射线双星(如天鹅座X-1)的观测发现的一些黑洞，其质量在太阳的5到15倍之间 。因此，5年前发表的GW150914显示，合并的两个黑洞达到了太阳质量的30倍，这让许多天文学家感到惊讶 。
图一 。已知中子星和恒星黑洞的质量分布 。蓝色和橙色代表引力波观测，紫色和黄色代表电磁波观测 。因为中子星和星级黑洞都是大质量恒星死亡的产物，所以这张图被称为“恒星墓地”上的质量分布 。
关于恒星黑洞有两个所谓的“质量间隙” 。在太阳质量的3到5倍之间，在电磁波截面的观测中并没有明显的证据表明存在如此小质量的黑洞，一般认为中子星的质量不超过太阳质量的3倍 。另一方面，一些理论认为，一些超大质量恒星(约为太阳质量的130至250倍)由于内核中正负电子对的产生，导致了剧烈而不稳定的热核爆炸 。这个过程可以彻底摧毁恒星，什么都不留下(包括黑洞) 。这种“不稳定性对超新星”的现象导致了质量在太阳50到150倍之间的黑洞的消失 。
原则上，分析几十个Virgo室女座黑洞的质量可以确定黑洞的最大和最小质量 。然而，有两个特殊事件让天文学家感到尴尬:GW190521和GW190814 。
首先，GW190521的两个合并黑洞分别达到了太阳质量的85倍和66倍(位于“不稳定对超新星”质量间隙)，合并形成了一个140倍太阳质量的“中等质量”黑洞(质量大于太阳质量100倍但小于星系中心的超大质量黑洞) 。如果GW190521的两个黑洞是所谓的“第二代黑洞”(即分别由两个较小的黑洞合并而成)，排除后发现最大黑洞质量约为太阳质量的52倍，基本符合“不稳定性对超新星”的理论预测 。
2.LIGO和处女座探测到的最大质量双黑洞合并事件GW190521，可能是两个“黑洞二代”之间的合并(来源:LIGO/加州理工/麻省理工/R .赫特)
其次，GW190814的两个合并天体分别是太阳质量的23倍和2.6倍，其中“小的那个”可能是最小的黑洞，也可能是最大的中子星 。这两种可能性都给目前对中子星和黑洞的认识带来了挑战 。如果真的是黑洞，那么3到5倍黑洞的质量差距将不复存在 。如果是中子星，一方面引力波测得的最小黑洞质量约为太阳质量的6倍(与X射线双星观测一致)，另一方面为中子星状态方程的研究提供了新的方向 。
利用引力波测量致密天体的自旋，虽然不如质量测量精确，但仍然可以提供一些有趣的信息 。简单来说，致密双星是由孤立的大质量双星演化而来的 。两个天体的自旋垂直于双星的轨道平面(也叫“自旋排列”)；但在动态演化形成的致密双星团中，两个天体的自旋方向可能是完全随机的 。
在分析了Virgo处女座的双黑洞自旋测量后可以发现，并不是所有的黑洞自旋方向都与双星轨道对齐，甚至有些黑洞自旋可能与轨道方向相反 。这说明有些双黑洞很可能是动态演化形成的 。
多信使天文学的诞生
与黑洞合并相比，双中子星合并和中子星-黑洞合并更引人注目:它们可能同时发出引力波、电磁波甚至中微子 。2017年8月17日发现的首个中子星并合，GW170817，几乎满足了天文学家对“多信使天文学”的所有期待 。
两颗中子星并合后1.7秒，发现了一个与引力波源同方向的伽马射线爆发 。LIGO和室女座引力波探测器的观测将信号源的方向锁定在31平方度天空空的范围内，距离地球约1.3亿光年 。引力波和伽马射线的相关探测引起了地球上和Tai 空中几乎所有天文观测设备的兴趣 。中子星合并11个小时后，光学望远镜首次在NGC 4993星系方向发现异常光 。随后，天文学家在紫外线、红外线、X射线和无线电波段观测到了相应的电磁信号 。这是继GW150914之后又一个划时代的发现 。自从该发现发表以来，平均每天有3篇以上的论文研究它！
3.通过引力波和伽马射线对GW170817的天空空进行定位，并发现其光学对应物(来源:B.P. Abbott等人2017，APJL，848，L12)
双中子星的引力波信号包含了中子星潮汐形变的信息 。不幸的是，这些信息出现的频率相对较高，即双星在轨道上运行并接近合并，频率高于几百赫兹 。在这个波段，目前的Virgo室女座探测器的灵敏度已经显著下降 。所以目前的引力波探测很难通过潮汐形变区分中子星和黑洞(注:理论上黑洞没有潮汐形变) 。从GW170817的引力波观测可以知道，两个合并天体的质量约为太阳的1.4倍，在典型中子星的质量范围内 。当然，从电磁波段的观测来看，有理由相信GW170817是由两颗中子星合并产生的 。所以引力波分析显示GW170817两颗中子星的半径约为12公里 。
GW190425是LIGO和处女座发现的第二次中子星合并事件 。不幸的是，当时只有一个探测器捕捉到了这个信号 。尽管做了很多努力，天文学家还没有找到GW190425的电磁对应体 。考虑到距离更远(5亿光年)，天空空的定位精度更差(八千平方度)，这个结果可能并不意外 。
但是GW190425受到了极大的关注，因为引力波测得的中子星质量有点出乎意料 。GW170817和银河系脉冲星观测已知的十几对双中子星系统的总质量都低于2.9倍太阳质量，而GW190425的两颗中子星的总质量达到3.3倍太阳质量！
引力波宇宙学和检验广义相对论
测量宇宙的加速膨胀速度(即哈勃常数)是当前宇宙学中的一个基本问题，需要同时测量天体的距离和红移(即天体的退行速度) 。与电磁观测依靠“距离阶梯”不同，引力波可以直接测量双星合并事件的距离 。GW170817的多信使观测显示了引力波宇宙学的潜力:组合引力波的距离测量和其宿主星系NGC4993的红移测量限制了哈勃常数 。当然，仅靠GW170817的观测还远远不足以解决所谓的“哈勃问题”——分别测量了Ia型超新星和宇宙微波背景辐射的不同哈勃常数 。随着未来更多双星合并信号的发现，引力波观测有望成为宇宙学重要的独立研究手段 。
引力波的发现验证了广义相对论的预言，同时越来越多的引力波观测也在进一步检验广义相对论 。比如广义相对论指出引力波以光速传播 。引力波信号GW170817和伽玛射线暴GRB 170817A的到达时间相差只有1.7秒 。考虑到波源距离地球1.3亿光年，引力波的传播速度与光速相差不超过10-16 。到目前为止，对LIGO-处女座的一系列引力波事件的分析并没有发现任何偏离广义相对论的迹象，比如引力子质量为零，引力波只有两种偏振模式等等 。
展望未来
LIGO和处女座探测器预计将在2022年6月后开始第四次科学运行，届时日本的KAGRA探测器将正式加入全球观测网络，并实现相当的灵敏度 。此外，位于印度的LIGO-印度探测器也将在几年内开始运行 。这些探测器将在2025年左右达到设计灵敏度 。粗略估计，2025年前后的引力波事件样本将包含500个双黑洞合并，50个双中子星合并，50个中子星-黑洞合并 。
2025年至2030年左右，LIGO探测器将进一步升级，灵敏度将提高2-4倍 。除了已知的致密双星合并，地基引力波探测器也可能在未来10年取得新的突破，发现新类型的引力波，包括随机引力波背景、连续引力波、引力波爆发，甚至之前未知的引力波源 。
2035年后，地面引力波探测将进入“第三代”探测器时代 。目前已有的计划有美国的宇宙探索者和欧洲的爱因斯坦望远镜 。这些探测器将达到超高的灵敏度，可以探测到宇宙中几乎所有的双黑洞并合事件和大部分双中子星并合事件 。
4.计划中的第三代地基引力波探测器的概念图 。上图是臂长40km的L型探测器宇宙探索者(图片来源:https://cosmicexplorer.org/)，下图是位于地下的臂长10km的三角形探测器爱因斯坦望远镜(图片来源:ET设计研究小组)
在引力谱的其他频段，国际脉冲星计时阵列项目已经积累了十几年的高精度数据，未来几年有望打开纳赫兹引力波的观测窗口，发现星系中心的超大质量黑洞合并 。与此同时，国内外空之间的引力波探测计划也在逐步推进，有望在2035年左右创建毫赫兹引力波天文学 。此外，基于宇宙微波背景辐射测量的初级引力波探测已开展多年 。因此，或许在不久的将来，人类将进入多波段引力波和多信使天文学的新时代 。
1922年，爱丁顿爵士开玩笑说“引力波以思想的速度传播” 。现在，在引力波的历史性发现被宣布五年后，我们知道引力波确实以光速传播，同时也让我们以一种全新的方式“聆听”遥远宇宙的奥秘 。
【引力波发现的这五年 引力波的发现】作者:朱兴江，现任澳大利亚莫纳什大学研究员，2015年毕业于西澳大学物理系 。自2012年以来，他一直是LIGO科学合作组织的成员 。他的主要研究兴趣包括脉冲星、致密双星系统的形成、寻找超大质量双黑洞和随机引力波的背景 。

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