如何评价 LIGO 和 VIRGO 首次同时探测到引力波事件？与之前的事件相比有哪些地方值得关注？
作者：黑洞来客团队 苟利军 @Flyingspace  黄月 2016年2月，人类首次直接探测到引力波的消息如潮水般占据了世界各大媒体的重要位置，之后又横扫了科学界几乎所有大奖。 只有一个奖不为所动，嗯，是哪一个你们懂得。（希望过不了多久我就能来改掉这句话） 其后，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）相当给力，再度公布了另外两起确认的引力波事件，并在网页上说明，还有更多事件在等待确认。 种种迹象表明，引力波探测已经日常化，引力波时代已经到来。 LIGO/VIRGO（VIRGO指欧洲室女座天文台）科学协同组织于北京时间9月28日凌晨12点30分，在意大利都灵召开新闻发布会，宣布了今年8月14日探测到的一例引力波事件。 我昨晚没睡，全程观看了这场发布会，感受是，虽然不是此前“风声”所传的“有史以来第一例双中子星合并所产生的引力波”，却也意义非凡。 这次发布会利用了G7峰会（七国集团首脑会议，包括美、日、德、英、法、意、加）科学部长分会的召开时间，参会人员包括LIGO发言人以及欧洲VIRGO团队的科学家。 身为美国自然基金委员会主任的弗朗斯·科尔多瓦（France Cordova）再度亮相发布会，她此前只在引力波首次发布会上亮相，其后两次常规发布并未出现。发布会的量级可见一斑。 我很期待她能够公布与双中子星相关的内容。 不料，此次宣布的、编号为GW170814的引力波依旧来自于双黑洞合并。 两个黑洞质量分别是30.5和25.3个太阳质量，合并后的质量约为53.2个太阳质量，也就是说，在极短的时间之内，大约有2.6个太阳质量以引力波的形式损失掉了。通过整个持续了大约0.25秒的波形振幅拟合，我们由此可以推断，此次双黑洞合并发生之处距离我们大约18亿光年。 图1：三个探测器分别观测到的信号时间演化图（第一行图为信噪比，第二行图为对应的引力波频率，第三行图是对应的时空变形程度） 数光年之外的我们最多只能探测到黑洞的三个物理量——质量、电荷和角动量，这三者也被成为黑洞“三毛”。 非常神奇的是，在此次双黑洞合并之后，表征黑洞角动量的自旋值竟然还是0.70——与之前三次双黑洞系统合并得到的自旋值（分别是0.67、0.74、0.64）相当接近。这一数据肯定在某种程度上反映了黑洞合并之前的演化历程，只不过我们现在还不清楚个中原委。 图2：黑洞质量分布图（紫色为电磁X射线波段发现的黑洞，蓝色为引力波发现的黑洞）  为什么说虽然此次引力波并非来自新的天文系统，但发布会依然意义重大？ 因为这是欧洲室女座天文台VIRGO直接探测到的第一例引力波事件，意味着VIRGO的成功运行。 2015年9月，美国的两个LIGO天文台如期升级完毕，按照原计划开始运行。在刚刚开始运行的几分钟时间内，便幸运地探测到了众所周知的第一例引力波事件GW150914，所以这一发现也被称为“上帝的礼物”。 然而，因为只有两个探测器，我们很难精确地确定引力波源的方位。 其给定范围通常在几百平方度左右，这一范围之内的天体实在是太多了，我们很难寻找和确定双黑洞在电磁波段的对应体。 所以，科学家们急需更多的引力波探测器加入到探测行列中去，VIRGO就是肩负最多期待的一个。  但是，这位室女最初有那么一丁点儿“迟钝”。 VIRGO于1996年动工始建，最早只有法国和意大利两个国家参与。 2000年，这两个国家共同成立了欧洲引力波天文台，主要负责VIRGO的建设和升级，推广促进引力波在欧洲的研究。 到2003年6月，VIRGO完成了初期建设，它采用的也是和LIGO类似的干涉探测方式，每个臂长是3公里（LIGO臂长为4公里）。 在测试校对之后，VIRGO在2007年到2011年之间进行了一系列观测，也曾与美国两个LIGO天文台协作。但尽管三个设备一起运行，也未探测到任何引力波信号。 原因无他，设备整体灵敏度不足。 图3：（上）此次GW170814不同方式的定位精度比较；（下）目前已知黑洞系统源的定位精度比较 所以从2011年起，三个设备计划升级，升级后设备灵敏度有望达到之前的10倍。本预计和LIGO在2015年一起完成升级、运行观测，VIRGO却因悬挂光纤的问题迟迟未能加入。 直到今年8月1日，VIRGO才正式加入LIGO的第二次科学运行（O2），展开联合观测，到8月25日结束，整整运行了25天。 升级的效果是显著的。数据显示，在整个联合运行期间，VIRGO有84%的时间都在进行科学数据收集，状态非常好。昨夜发布会的主角GW170814，就是三个探测器在联合运行14天时发现的。 正如现场几位科学家所强调的那样，VIRGO的加入不仅为引力波探测增加了一个新的维度，更为重要的是，它使得空间位置的不确定性大大降低了（见图3）。 这个空间定位有了什么样的进步呢？ 两个LIGO探测器快速空间定位的范围约为1160平方度； VIRGO加入之后，定位范围将会收缩到100平方度； 如果进一步利用贝叶斯统计方法对所有可能参数进行估算，空间定位将进一步缩减至60平方度。 这样一来，空间定位就足足提高了将近20倍，可以说是一个相当了不起的成就！ 正因空间定位得到了极大提高，我们才有可能对存在电磁对应体的其他现象进行追踪观测，科学界期待多时的多信使天文学才有可能真正实现，人类对于诸如双子星等天体的全面研究才有机会成为可能。 接下来，三个设备将再次进行为期一年的升级，届时灵敏度有望再提高2倍，定位区域的精确度也将进一步改善！  不过，我的心中一直期盼着一个更大的新闻。那就是探测到来自双黑洞以外的其它引力波源，比如说，双中子星合并。 究竟有没有呢？ 我们可以先回顾下，为什么在这次发布会前，为什么会有“探测到的是双中子星合并产生的引力波”这样的“流言”诞生。 这次发布会最早是由ScienceAlert网站率先披露的消息，当时的文中提到，发布会将宣布今年8月14日探测到的一例引力波事件，很有可能来自双黑洞以外的其它引力波源。 消息来源是一位在天文学界向来声誉不错的科学家，LIGO/VIRGO组织有着严格的保密条款，在此情况下走露的风声格外令人着迷。 来自这位科学家的消息是：LIGO和VIRGO才联合工作没几天，就观测到了有史以来第一例双中子星合并所产生的引力波。《自然》杂志随后发文，跟进了这一“科学流言”的整个产生和发展经过。 而LIGO也随即发表声明，既没否认也未确认这一“流言”，只是声称LIGO/VIRGO发现了很多例事件，仍待进一步确认。 那么这个“流言”有没有可能成真呢？ 我认为可能性很大。 根据伽玛射线暴协调网络（Gamma-rayCoordinates Network）的消息，很多空间和地面望远镜（包括费米、PanSTAR、iPTF、Gemini等）都已经观测到了可能的双中子星合并电磁现象。 此次发布会之所以未公布中子星相关信息，其考量一来或许因为发布会的重点在于检验VIRGO的正常运行，二来黑洞合并相较于其他引力波源来说更为简单。双中子星合并产生的引力波形更加复杂，存在着更多不确定性，需要科学家耗费更多时间、更加谨慎地确认。 在过去的20个月里，在经历了4次引力波发布会之后，公众或许已经对双黑洞引力波的成功探测习以为常，甚至产生了审美疲劳。 不过，在科学界，引力波的直接探测才刚刚开始。而且，如果能有探测到的引力波来源确任为双中子星合并，对科学界而言意义更为重大。 原因在于，已经宣布的四次双黑洞合并只有引力波产生，不产生电磁辐射，而双中子星合并既会产生引力波，也会产生电磁辐射。 所以，如果探测到来源于双中子星的引力波事件，我们就可以将之作为引力波多信使天文学真正意义上的开端了。 除此之外，双中子星合并通常被认为是伽马射线暴的一类产生源，会产生很多不同的观测现象，所以综合引力波、电磁波等多个方式的观测，我们能够对中子星这一充满谜团的天体做出更为详细的了解。 科学家们已经看到了利用引力波研究宇宙另一面的神奇效应，引力波成为了科学家望向宇宙的第二双眼睛，让我们得以看到电磁波发现不了的诸多天体。 因此，更多更加灵敏的引力波天文台也正在建设之中，包括印度的LIGO-India以及众多第三代引力波探测器（比如美国Voyager探测器）。 一旦这些探测器准备就绪，人类的天文观测将进一步极大改善，不过或许要等到至少十年之后才能实现了。我们不妨先期盼一下近前的事情，比如，今年诺贝尔物理学奖：） 出品：科普中国 监制：中国科学院计算机网络信息中心