雷鋒網(wǎng)按；本文作者明鏡，馬克斯·普朗克引力物理研究所博士、LIGO科學(xué)合作組織成員。文章首發(fā)知識(shí)分子公號(hào)。

“除了利用引力波對(duì)恒星演化、黑洞和廣義相對(duì)論進(jìn)行以前不可能做的研究之外，一旦探測(cè)到了引力波事件的電磁波對(duì)應(yīng)體，就能夠確定該事件發(fā)生的星系。即使不能探測(cè)到引力波事件的電磁波對(duì)應(yīng)體，如果將來(lái)引力波測(cè)量的精度提高或者觀測(cè)到距離更近的引力波事件，就可以對(duì)引力波源的方向測(cè)量達(dá)到較高的精度，加上引力波測(cè)量本身可以確定引力波源的距離，就很可能證認(rèn)出該事件發(fā)生的星系。星系的紅移是比較容易測(cè)量的，所以就可以把引力波作為新的“標(biāo)準(zhǔn)燭光”研究宇宙的膨脹。相比超新星等其它標(biāo)準(zhǔn)燭光，引力波標(biāo)準(zhǔn)燭光更加干凈和準(zhǔn)確，而且不依賴(lài)于宇宙距離’梯子’。因此，不僅僅引力波天文學(xué)的時(shí)代已經(jīng)不可阻擋地到來(lái)了，引力波宇宙學(xué)也必將成為一個(gè)新的研究領(lǐng)域，這對(duì)于恒星演化、黑洞形成以及宇宙演化等研究都將具有劃時(shí)代的意義。”

——《知識(shí)分子》邀請(qǐng)中科院高能物理研究所研究員張雙南發(fā)表評(píng)論

?LSC發(fā)言人，路易斯安那州立大學(xué)物理與天文學(xué)教授Gabriela González宣布，LIGO再次發(fā)現(xiàn)黑洞并合產(chǎn)生的引力波！

｜“來(lái)自愛(ài)因斯坦的圣誕節(jié)禮物”

在人類(lèi)首次探測(cè)到雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波GW1509143個(gè)月之后，LIGO又一次觀測(cè)到了一對(duì)黑洞并合產(chǎn)生的引力波信號(hào)：GW151226。就在 LSC（LIGO科學(xué)合作組織）的大多數(shù)科學(xué)家沉浸在圣誕假期的時(shí)候，這次“時(shí)空的漣漪”宛如圣誕禮物， 于2015年12月26日UTC（協(xié)調(diào)世界時(shí)）03:38:53抵達(dá)地球。

和 GW150914類(lèi)似，GW151226同樣來(lái)自雙黑洞并合。本事件發(fā)生于14億光年外的宇宙深處，兩個(gè)分別為14.2和7.5倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，在相互環(huán)繞的過(guò)程中由于引力輻射慢慢靠近，在最后的一秒鐘里，它們發(fā)生了并合， 生成了有20.8倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。在這個(gè)過(guò)程中，大約有一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)以引力波的形式輻射到宇宙中去，引力波峰值強(qiáng)度比全宇宙還亮十倍以上。

?位于美國(guó)的LIGO漢福德(H1,左圖)和利文斯頓(L1,右圖)探測(cè)器所觀測(cè)到的GW151226引力波事件。

圖中顯示兩個(gè)LIGO探測(cè)器中都觀測(cè)到的由該事件產(chǎn)生的引力波強(qiáng)度如何隨時(shí)間和頻率變化。兩個(gè)圖均顯示了GW151226信號(hào)在1秒的時(shí)間里面“橫掃”30Hz到800Hz。和GW150914相比，由于本次兩個(gè)黑洞質(zhì)量較小，所以在這個(gè)圖上的信號(hào)沒(méi)有之前那么明顯。（此圖版權(quán)歸LSC/Virgo Collaboration所有）

?GW151226事件的顯著性分析?？梢钥吹奖臼录娘@著性大于5倍標(biāo)準(zhǔn)差，所以這是一次確定無(wú)誤的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。（此圖版權(quán)為L(zhǎng)SC/Virgo Collaboration所有）

｜兩次確鑿、一次疑似引力波事件

除了上面兩個(gè)引力波事件之外，在去年的10月12日，LSC的科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了一次疑似引力波事件：LVT151012。為什么稱(chēng)它是疑似事件呢，因?yàn)檫@個(gè)事件的距離我們很遠(yuǎn)（大約30億光年），所以信噪比相對(duì)弱一點(diǎn)，顯著性也只有1.7倍標(biāo)準(zhǔn)差，因此不能確定為科學(xué)發(fā)現(xiàn)。但是LSC內(nèi)部不少科學(xué)家傾向于相信，這也是一次雙黑洞并合事件。

那么GW151226和之前的GW150914，還有LVT151012相比，有什么異同呢？

?LIGO發(fā)現(xiàn)的兩次引力波事件和一次疑似事件的參數(shù)對(duì)比。

第一，請(qǐng)注意事件的信噪比、光度距離還有雙黑洞的質(zhì)量。

由于GW151226比GW150914稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)（分別為14 億光年和13億光年），而且其系統(tǒng)中的黑洞質(zhì)量也比GW150914里的要小，所以GW151226的信噪比為13（小于GW150914的23.7）。盡管如此，GW151226的顯著性還是大于5倍標(biāo)準(zhǔn)差，可認(rèn)為是一次新的引力波時(shí)間探測(cè)。而LVT151012由于距離比較遠(yuǎn)，信噪比和顯著性都比較低，只能當(dāng)做一次疑似引力波事件。

第二、GW151226中的兩個(gè)黑洞的質(zhì)量是最小的，因此它并合花了更長(zhǎng)時(shí)間，在探測(cè)器的探測(cè)范圍內(nèi)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間大約是1秒，而GW150914只有0.2秒。

第三，三次事件都顯示并合后的新黑洞具有較大的自旋值（0.7左右）。

第四，在天空定位精度上，LIGO對(duì)GW150914測(cè)定最為精確，范圍在230個(gè)平方度之內(nèi)（就是角度的平方，類(lèi)似以于平方米和米的區(qū)別）。

對(duì)于最弱的LVT151012，位置的不確定范圍在1600個(gè)平方度。對(duì)引力波事件平方度的測(cè)定，和信號(hào)強(qiáng)弱有關(guān)。信號(hào)越強(qiáng)，對(duì)位置的測(cè)定越精確。當(dāng)然，等高新VIRGO探測(cè)器上線(xiàn)后（預(yù)計(jì)今年年底），屆時(shí)我們將有三個(gè)引力波探測(cè)器，多了一個(gè)“耳朵”之后，我們對(duì)未來(lái)引力波事件的天區(qū)位置測(cè)定精度將大大提高。 

?GW150914和GW151226的天區(qū)位置，可以看到VIRGO上線(xiàn)之后，天區(qū)位置測(cè)定的精度將大大提高。（此圖版權(quán)為L(zhǎng)SC/Virgo Collaboration所有）

最后，在觀測(cè)時(shí)間上，這三個(gè)事件都是在高新LIGO運(yùn)行的O1階段發(fā)現(xiàn)的（GW150914在O1正式運(yùn)行前的試運(yùn)行階段被發(fā)現(xiàn)），在短短三個(gè)月的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，我們發(fā)現(xiàn)了三個(gè)引力波事件。即將運(yùn)行的O2靈敏度更高，觀測(cè)時(shí)間更長(zhǎng)，可以想象一年后這張表格會(huì)變得多長(zhǎng)！

｜對(duì)天體物理的影響

在第一次發(fā)現(xiàn)GW150914之后，很多天體物理學(xué)家對(duì)宇宙中存在如此大質(zhì)量的雙黑洞系統(tǒng)比較吃驚。因?yàn)閷?duì)X射線(xiàn)雙星（X-ray binary）的觀測(cè)顯示，不存在這么大質(zhì)量的雙黑洞系統(tǒng)。另外，一些黑洞形成理論（比如公共包層理論）雖然可以解釋這樣的大質(zhì)量的雙黑洞系統(tǒng)如何形成，但是人類(lèi)第一次引力波事件就來(lái)自于這樣的大質(zhì)量黑洞并合，強(qiáng)烈暗示現(xiàn)有天體物理對(duì)較大質(zhì)量黑洞并合率是低估了。本次GW151226中的雙黑洞質(zhì)量在X射線(xiàn)雙星觀測(cè)數(shù)據(jù)的黑洞質(zhì)量范圍之內(nèi)，這意味著引力波的觀測(cè)數(shù)據(jù)第一次可以用來(lái)和別的觀測(cè)手段的數(shù)據(jù)相比較，這對(duì)于天體物理來(lái)說(shuō)具有重要意義。 

?目前通過(guò)X射線(xiàn)觀測(cè)到的黑洞（橙色）與引力波觀測(cè)到的黑洞（藍(lán)色和綠色）質(zhì)量比較。

通過(guò)引力波發(fā)現(xiàn)的黑洞的質(zhì)量都比較大。由于引力波的觀測(cè)數(shù)據(jù)，刷新了人類(lèi)對(duì)黑洞質(zhì)量分布的認(rèn)知。（圖片來(lái)自gravity.astro.cf.ac.uk）

GW151226的發(fā)現(xiàn)對(duì)黑洞形成理論也有非常重要的指示作用。

現(xiàn)在有很多種黑洞形成的理論。有些理論認(rèn)為，一對(duì)大質(zhì)量恒星在一起產(chǎn)生之后共同演化，最終在它們的生命最后階段生成了雙黑洞系統(tǒng)。還有一些理論認(rèn)為，在宇宙中的某些區(qū)域中，恒星更加緊密地聚集著，雙黑洞系統(tǒng)也可能形成于兩個(gè)一開(kāi)始各自演化的大質(zhì)量恒星在互相作用后最終形成的雙星系統(tǒng)。GW151226的觀測(cè)數(shù)據(jù)與這兩種形成理論都符合，所以，現(xiàn)階段我們并不能判斷哪種理論是更有可能的。

此外，GW151226、GW150914和LVT151012的發(fā)現(xiàn)表明，宇宙中的恒星質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)比我們想象的更多。這些初始的發(fā)現(xiàn)對(duì)我們理解這些雙黑洞群是非常重要的第一步，在此之前我們對(duì)這些信息是渾然無(wú)知的。第一次事件可以稱(chēng)為“發(fā)現(xiàn)”，第二次事件可以說(shuō)是“統(tǒng)計(jì)”，但是三次便可以做“分布”了！根據(jù)這三個(gè)事件的觀測(cè)數(shù)據(jù)，我們對(duì)雙黑洞并合率的估計(jì)為：每年在每立方Gpc的空間內(nèi)有9-240次黑洞并合。相信隨著O2、O3的運(yùn)行，會(huì)有越來(lái)越多的引力波事件將被我們發(fā)現(xiàn)。激動(dòng)人心的引力波天文學(xué)，已經(jīng)邁向黃金時(shí)代！

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