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“极为可信的坊间传闻”:双黑洞之后,LIGO剑指双中子星并合?

整理 | 吕浩然
责编 | 徐    可
 
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去年2月,激光干涉仪重力波天文台LIGO(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)首次实现了直接探测引力波,这一物理界的一个“圣杯”由爱因斯坦“设计”,一度被束之高阁长达百年之久。
 
然而,这其实并不是一个孤立的事件,因为那只是LIGO一直持续曝光的此类事件中的第一个,或者说,LIGO及其背后的科学家们并没有将此作为最终的目标。就在LIGO已经运行的这段时间里,至少三个比较强烈的信号已经证明,远在十亿光年之外的两个大质量恒星级双黑洞合并所产生的引力波的辐射,强烈到可以穿过浩瀚的宇宙,最终被LIGO捕捉到。
 
而在近日,一则“坊间传闻”震动学界,美国福布斯新闻网(Forbes.com)报道称:继去年2月LIGO的发现之后,科学家又面临着新的可能性,在VIRGO(欧洲引力波天文台)加入引力波探测之后,LIGO可能已经进入到了下一个引力波现象的探测前沿:双中子星合并。
 
之所以称之为“坊间传闻”是因为,与引力波探测器合作的科学家并不会对这些传言发表评论,而应以分析之后的官方说法作准。而此次的信源则是一位天文学家的个人推特。
 
此次传闻始于德克萨斯大学奥斯汀分校的天文学家J.Craig Wheeler。8月18日,他在推特上写道:“新LIGO,带有光学对应源。吹飞你的袜子!(New LIGO.Source with optical counterpart. Blow your sox off!)”。然而,在这则消息引燃舆论之后,他可能也意识到了消息引起的轰动效应,并于23日上午进行了道歉,他写道:“不论对错,我都不应该发布那条推特。LIGO应该在他们认为合适的时间发布,我也应对此负责(Right or wrong, I should not have sent that tweet. LIGO deserves to announce when they deem appropriate. Mea culpa.)”。然而,尽管Wheeler致歉,到底双中子星合并是否被LIGO确认探测到的疑云却仍未被揭开。
 
但如果双子星合并事件被最终确认,这样的探测则标志着天文学的一个新时代即将到来:在这个时代,传统的望远镜都可以看到现象,也可以“听到”在时空结构上的振动。“在我们的理解中,这将是一个不可思议的进步,”伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校(University of Illinois at Urbana)的天体物理学家Stuart Shapiro说[1]。
 
据福布斯新闻网介绍,中子星合并与黑洞合并主要有三个区别:由于中子星的质量较小但体积较大,它们发射的引力波信号幅度较小,并且发生在一个较长的时间周期上。然而,与以前的合并相比,这个信号在更长的时间内是可预测的:有可能是数秒、数分钟,甚至数小时之久,而与之前的大质量黑洞仅持续几分之一秒不同[2]。
 
也就是说,因为双中子星合并所产生的信号强度问题,我们必须要找到比双黑洞距离地球更近的双中子星,才能一窥其真容。就目前LIGO和VIRGO的设置,这个范围远比双黑洞的要小,仅为数亿光年。而要想获得同双黑洞合并相同幅度的信号,合并的双中子星与地球的距离要比双黑洞的距离小近10倍。不仅如此,两个致密中子星的合并应该会有光学对应体产生,这也与两黑洞合并完全不同。
此外,预测双中子星合并发生的频率是一项艰巨的任务。我们不知道存在有多少的双黑洞,而引力波天文学也仅仅只是开始向我们展示这类天体的存在。如果中子星合并只有黑洞合并的十分之一的幅度的话,这意味着它们只是黑洞距离的十分之一,这也意味着LIGO/VIRGO对中子星敏感的空间体积只有可探测黑洞体积的千分之一。为了有机会看到合并的中子星,其数量必须是并合黑洞数量的数百倍。
 
但事实可能就是这样!如果我们不看就没有成功的机会,只要引力波天文台在运行,寻找中子星的任务便能一直进行下去。相关的模板计算也很容易(尽管计算量有些大),这也意味着如何从原始数据中提取信号才是我们所面临的问题。当三个天文台同时运行时,不仅LIGO/VIRGO会更加灵敏,而且还可以进行三角定位。如果这些事件中有一个发生了,我们将第一次有机会精确地确定该事件在空间中的位置。
 
所以,此次传闻会不会成为双中子星合并的第一个证据呢?虽然有科学家向《知识分子》透露,这次的传闻的可信度极高,但就目前为止,它还仅是一个“谣言”,而不是任何参与合作人员的官方发布,但LIGO目前为止的行动或能从侧面说明。
目前,LIGO的发言人David Shoemaker并没有否认这个谣言,或者说没有否认在数据中存在有与以往看到的信息不同的可能性。他表示,“一次非常令人兴奋的观测运行即将在8月25日结束。我们期待届时举行一次高规格的发布会”。而在8月25日,LIGO-VIRGO合作发布了其最高级别的更新并表示,“在我们的初步分析中,一些有希望的引力波候选体已经从LIGO和VIRGO的数据中得到了确认,我们也分享了我们目前已知的天文观测伙伴的信息。我们正在努力确保候选体是有效的引力波事件,也需要时间来确定为科学界和更大的公众带来任何结果所需的信心。一旦我们准备好,我们就会让你们知道”[4]。
 
正如福布斯报道所提到的,我们正处在历史上一个令人难以置信的时刻:引力波天文学观测科学诞生之时。未来几十年将揭示一系列“第一次”,这些应包括第一次双中子星合并,第一次定位引力波源,以及第一次关联引力波与电磁信号。这也将是继双黑洞引力波之后,天文界又一次轰动性的发现。现在所有人的目光都聚焦在LIGO身上,等待其官方公布的结果,究竟是确认还是辟谣了!
 
就此次事件,《知识分子》联系到了中科院引力波先导电磁波对应体的课题负责人之一、国家天文台陆由俊研究员,请他对此次“传闻”进行评述:
 
《知识分子》:您认为此次消息的可信度有多少?
 
陆由俊:这是一个非常令人激动的消息。据我了解,坊间流传的aLIGO已探测到双中子星并和事例的可信度很高,但还需要进一步的确认。
 
《知识分子》:这个事件如果是真的,它和之前的三个黑洞并合产生的引力波事件又有什么区别?
 
陆由俊:双中子星并合与黑洞并合引力波事件很不一样,主要体现在以下几个方面:
 
一、中子星质量相对于已探测到的黑洞并合事件中的黑洞质量要小10倍,甚至更多。相对于黑洞并合,双中子星并合发射的引力波的幅度更小。
 
二、中子星并合引力波事件必然伴随有高能电磁和中微子爆发等,而双黑洞并合即使可能有电磁对应体,也比较暗弱。
 
三、引力波天文台的空间定位一般很不准确,无法给出波源的宿主星系位置。而利用双中子星并和的电磁对应体信号等,可以很容易确定引力波源的空间位置和宿主星系。而双黑洞并合引力波源还未发现有电磁对应体,因而难以确认波源的起源。
 
《知识分子》:之前引力波源的方向定位不准,那么此次情况为何不同?
 
陆由俊:据传,在这个源的引力波被探测到的同时,空间高能卫星也探测到了伽玛暴,在时间和方向上与引力波源一致,从而可以较好地确定方位。
 
《知识分子》:据您所知,国内的天文学家是否参与了引力波电磁对应体的跟踪观测?
 
陆由俊:是的。在去年2月LIGO首次公布引力波直接探测结果之后,中国科学院就组织布局了引力波研究的B类先导项目,力图从多个方面在全波段范围对引力波宇宙开展研究。在此项目支持下,国内天文学家组织了全国性的引力波电磁对应体的搜寻和跟踪观测网络,并加入了aLIGO/VIRGO科学合作组,对aLIGO/VIRGO引力波天文台预警的引力波源进行快速的电磁对应体搜寻。
就此次的引力波时间而言,如果它确实如文中所述发生在NGC4993星系,它的位置在南天(纬度:-23度),而中国境内的望远镜都在北天,所以很难参加观测。
 
《知识分子》:从此次事件来看,双中子星并和与双黑洞并和事件的相对数目是多少?
 
陆由俊:因为中子星并和产生的引力波相对较弱,aLIGO只能探测发生在离我们较近的和较小的一个体积范围内的事件。从这个事例和已探测到的几个黑洞并和事件来看,中子星并和事件发生率可能比双黑洞并和事件要高一个量级,这比理论预期的可能要高几倍。
 
《知识分子》:天文学家能从中子星并和产生的引力波事件学到哪些新物理?
 
陆由俊:中子星并和发射的引力波信号与中子星的内部结构及物态有关,结合引力波信号、电磁和中微子等多信使观测,可以揭示中子星的结构和物态,限定中子星的半径和质量上限等,解决长久以来的中子星内部结构和物态不确定这一问题。
同时,中子星并合可产生短伽玛暴,利用包括引力波的多信使观测可以揭示短伽玛暴的中心能源机制。另外,中子星并和的引力波辐射和电磁信号提供了一个崭新的探测宇宙演化的标准汽笛,籍此可以探测暗物质和暗能量的本质。
 
参考文献:
[1,2] Beyond Black Holes: Could LIGO Have Detected Merging Neutron Stars For The First Time? Forbes, August 23th.  (https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/08/23/beyond-black-holes-could-ligo-have-detected-merging-neutron-stars-for-the-first-time/#241e2746fbdd)
[3,4] Rumours swell over new kind of gravitational-wave sighting, Davide Castelvecchi, Nature. (http://www.nature.com/news/rumours-swell-over-new-kind-of-gravitational-wave-sighting-1.22482)
 
(注:特此鸣谢中国国家天文台苟利军、董艳婷对本文的支持。)
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