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物理學 2016

對一次雙黑洞併合所產生重力波的觀測

B. P. 阿博特 等(LIGO 科學合作組 與 Virgo)

十億年前,兩個黑洞相撞,而我們,聽見了時空本身的鳴響。

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In depth · the introduction

科學家首次直接探測到了重力波——那是十多億年前,兩個黑洞相撞時,在時空中激起的漣漪。

把這個想法拆開看

一個世紀前,愛因斯坦預言:宇宙中的劇烈事件——比如兩個黑洞相撞——應當會在時空本身中激起漣漪,向外擴散時,把空間拉伸又壓扁,就像池塘上的波。但傳到地球的漣漪,會微弱得不可思議,整整一百年裡,沒人能測量如此微小之物。

它從哪裡來

LIGO,正是為捕捉牠們而造的機器:兩臺巨大的、L 形的探測器,臂長 4 公里,用雷射束以幾乎不可能的精度,測量這兩條臂的長度。當一道重力波滾滾而過時,它會把一條臂拉長、另一條縮短,幅度只有一根頭髮絲的粗細——實際上,遠小於一個原子的寬度。2015 年 9 月 14 日,兩臺相距遙遠的探測器,在幾乎同一瞬間,以完全相同的方式輕輕一顫。牠們,感受到了十多億光年之外兩個黑洞併合所傳來的震顫——距愛因斯坦的那個預言,幾乎正好一百年。

它為何重要

這印證了愛因斯坦廣義相對論中最後一個未經檢驗的重大預言——在他作出預言的一百年之後。更重要的是,它給了天文學一種全新的「感官」:在此之前,我們只能用「光」去「看」宇宙。如今,我們可以透過「重力」去「聽」它,從而探測到那些根本不發光的東西——比如相撞的黑洞。

為什麼叫「啁啾」

隨著兩個黑洞盤旋著越靠越近,牠們繞著彼此轉得越來越快,發出的重力波也隨之音調升高、音量變大——正像一隻鳥越來越急的啁啾。把這個訊號變成聲音,你聽到的就是這樣:一聲上揚的滑音,然後「砰」地一下併合。音調升得有多快,洩露了黑洞有多重。在下方設定牠們的質量,看那啁啾如何改變形狀。

一條重力波應變隨時間變化的曲線:一段振盪,其頻率與振幅同時上升——這就是「啁啾」——最後以一個短促的併合尖峰,和一段迅速消退的「鳴響」收尾。兩個滑桿設定黑洞的質量;質量越輕,啁啾就拉得越長、振盪越多;質量越重,則啁啾越短、並在更低的頻率結束。

之後發生了什麼

GW150914 只是頭一個。如今,LIGO 與它的夥伴探測器,已經捕捉到了數十次黑洞相撞,而在 2017 年,牠們聽見了兩顆中子星併合——這一事件,望遠鏡也以一道光的爆發看見了它,揭示出它是一座鍛造金與鉑的宇宙熔爐。每一次探測,都是宇宙黑暗那一面——那根本不發光的一面——所奏出的某種音樂裡的一個音符。

The original document
Original source text
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) · Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016)
Detection
On September 14, 2015 at 09:50:45 UTC the two detectors of the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory simultaneously observed a transient gravitational-wave signal.
The signal
The signal sweeps upwards in frequency from 35 to 250 Hz with a peak gravitational-wave strain of 1.0 × 10⁻²¹. It matches the waveform predicted by general relativity for the inspiral and merger of a pair of black holes and the ringdown of the resulting single black hole.
The signal was observed with a matched-filter signal-to-noise ratio of 24 and a false alarm rate estimated to be less than 1 event per 203 000 years, equivalent to a significance greater than 5.1σ.
The source
The source lies at a luminosity distance of 410 (+160 −180) Mpc … The initial black hole masses are 36 and 29 solar masses, and the final black hole mass is 62 solar masses, with 3.0 solar masses radiated in gravitational waves.
This is the first direct detection of gravitational waves and the first observation of a binary black hole merger.
The full Letter — with the strain time-series from both detectors, the time-frequency “chirp” spectrograms, the residuals against the general-relativity template, and the parameter-estimation tables — is available at the source below.
Detected 14 September 2015 · published 11 February 2016