对双黑洞并合的引力波的观测 - LIGO Scientific Collaboration.PDF

对双黑洞并合的引力波的观测 发表于一百年前的广义相对论被物理学家马克思·波恩誉为 “人类认知自然的最伟大业绩”。 我们在此报告爱因斯坦理论预言的两个重要科学突破：首次直接探测到引力波和首次观测到 双黑洞碰撞与并合。 这个被我们命名为GW150914的激变事件，发生于距离地球10亿光年之外的一个遥远星系中。 它于2015年9月14 日被激光干涉仪引力波天文台 （以下简称LIGO）的两个很可能是人类有史以 来制造的最灵敏的科学仪器的探测器观测到。LIGO估算出这个双黑洞并合最后时刻所辐射的 引力波的峰值功率比整个可观测宇宙的光度 （单位时间释放的电磁波能量 ）还高10倍以上。 这个重大的发现意味着令人振奋的天文学新时代的到来，人类开启了一扇观测宇宙的全新窗 口——引力波天文学。 背景简介 引力波是时空的 “涟漪”，由宇宙 中例如致密星体碰撞并合这样剧烈 变化的物理过程产生。爱因斯坦于 1916年预言了它的存在。他证明做 加速运动的大质量天体可以剧烈地 撼动时空，并且空间扭曲的波动将 从波源辐射出去。这些以光速传播 的涟漪携带了天体源激烈动荡的信 息以及关于引力本质的线索。在过 去的几十年中，天文学家通过观测 银河系中密近双星，已经间接地证 明了引力波的存在。双星轨道由于 引力辐射带走能量而收缩；观测结 果完全符合爱因斯坦的理论预言。 图1 - （取自论文图1 ）LIGO汉福德 （H1，左）和利文斯顿 （L1，右）探测器 但是科学家们一直在热切地期望就 所观测到的GW150914引力波事件。该图展示了在两个LIGO探测器中观测到 的由该事件产生的引力波 “应变 ” （见下文）如何随时间 （秒）和频率 和这次重大突破一样在地球上对引 （赫兹）变化。两个图均显示了GW150914的频率在0.2秒内从35赫兹迅速增 力波的直接探测的机会，因为这为 加到150赫兹。GW150914先到达L1，随后到达H1 ，前后相差千分之七秒， 我们供了更极端的条件来更严格 该时间差与光或者引力波在两个探测器之间传播的时间一致。 地验证广义相对论，同时开启一条 探索宇宙的全新途径。 在爱因斯坦预言引力波的同一年，物理学家卡尔·史瓦西证明爱因斯坦的广义相对论允许黑洞的存在。它是一个奇异的 天体，非常致密，以至于光都难以逃脱它的引力束缚。虽然就字面意义来看我们不能直接 “看到”黑洞产生的光，天 文学家通过研究黑洞候选体对它周围的物质产生的效应已经收集了大量间接证据 。例如，我们认为宇宙中绝大多数星 系 （包括银河系）的中心都有一个超大质量 （数百万乃至数十亿倍于太阳的质量）黑洞。同时还有非常多低质量 （从 几个到几十个太阳质量）的黑洞候选体；它们被认为是恒星剧烈爆炸——核塌缩超新星——的遗留物。 在黑洞的间接观测研究取得进展的同时，对这些奇异天体的理论理解也 在不断加深。例如，过去的十年里，对双黑洞并合前的最后时刻的轨道 请访问我们的网站 演化的电脑模拟有了十分显著的进步。这些计算机模型帮我们依据广义 / 相对论精确地计算出引力波波形，告诉我们引力波的特征模式在两个黑 洞彼此靠近并最终并合为一个更大的黑洞过程中是如何演化的。因此双 黑洞并合的直接观测为验证爱因斯坦的理论供了一个最好的宇宙实验 #GravitationalWaves 平台。 #BinaryBlackHole #EinsteinWasRight LIGO探测器 LIGO是世界上最大的引力波天文台，同时也是世界上最精密的物理实验之一。它由两个相距几千公里的大型激光干涉 仪组成，分别位于美国路易斯安那州的利文斯顿和华盛顿州的汉福德。它利用光和空间本身的物理性质来探测引力波， 这是早在二十世纪六七十年代就出的概念。几台第一代干涉仪在二十一世纪初建造完