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物理学 2016

对一次双黑洞并合所产生引力波的观测

B. P. 阿博特 等(LIGO 科学合作组 与 Virgo)

十亿年前,两个黑洞相撞,而我们,听见了时空本身的鸣响。

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In depth · the introduction

科学家首次直接探测到了引力波——那是十多亿年前,两个黑洞相撞时,在时空中激起的涟漪。

把这个想法拆开看

一个世纪前,爱因斯坦预言:宇宙中的剧烈事件——比如两个黑洞相撞——应当会在时空本身中激起涟漪,向外扩散时,把空间拉伸又压扁,就像池塘上的波。但传到地球的涟漪,会微弱得不可思议,整整一百年里,没人能测量如此微小之物。

它从哪里来

LIGO,正是为捕捉它们而造的机器:两台巨大的、L 形的探测器,臂长 4 公里,用激光束以几乎不可能的精度,测量这两条臂的长度。当一道引力波滚滚而过时,它会把一条臂拉长、另一条缩短,幅度只有一根头发丝的粗细——实际上,远小于一个原子的宽度。2015 年 9 月 14 日,两台相距遥远的探测器,在几乎同一瞬间,以完全相同的方式轻轻一颤。它们,感受到了十多亿光年之外两个黑洞并合所传来的震颤——距爱因斯坦的那个预言,几乎正好一百年。

它为何重要

这印证了爱因斯坦广义相对论中最后一个未经检验的重大预言——在他作出预言的一百年之后。更重要的是,它给了天文学一种全新的「感官」:在此之前,我们只能用「光」去「看」宇宙。如今,我们可以透过「引力」去「听」它,从而探测到那些根本不发光的东西——比如相撞的黑洞。

为什么叫「啁啾」

随着两个黑洞盘旋着越靠越近,它们绕着彼此转得越来越快,发出的引力波也随之音调升高、音量变大——正像一只鸟越来越急的啁啾。把这个信号变成声音,你听到的就是这样:一声上扬的滑音,然后「砰」地一下并合。音调升得有多快,泄露了黑洞有多重。在下方设定它们的质量,看那啁啾如何改变形状。

一条引力波应变随时间变化的曲线:一段振荡,其频率与振幅同时上升——这就是「啁啾」——最后以一个短促的并合尖峰,和一段迅速消退的「鸣响」收尾。两个滑块设定黑洞的质量;质量越轻,啁啾就拉得越长、振荡越多;质量越重,则啁啾越短、并在更低的频率结束。

之后发生了什么

GW150914 只是头一个。如今,LIGO 与它的伙伴探测器,已经捕捉到了数十次黑洞相撞,而在 2017 年,它们听见了两颗中子星并合——这一事件,望远镜也以一道光的爆发看见了它,揭示出它是一座锻造金与铂的宇宙熔炉。每一次探测,都是宇宙黑暗那一面——那根本不发光的一面——所奏出的某种音乐里的一个音符。

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