科学网 › 标签 › 双黑洞

标签: 双黑洞

相关帖子	版块	作者	回复/查看	最后发表

没有相关内容

相关日志

聊聊引力波——第三次引力波事件GW170104有啥好玩的？: 热度 4 smilemooncat 2017-6-3 12:04; 北京时间2017年5月31日深夜, LIGO和Virgo科学合作组织举行了一次内部媒体发布会, 确认了第三次引力波事件。24小时后，陆续地开始有新闻报道出来。在内部发布会上，LIGO发言人麻省理工学院教授大卫•舒梅克首先宣布aLIGO发现了来自两个黑洞并合的新引力波事件GW170104,接着介绍了本次新发现引力波事件的基本特征。接下来，就让我们了解下这次引力波事件是如何被发现的？以及与前两次相比，有什么异同之处？它的发现，揭示了什么有意思的科学呢？ 1、什么是引力波？引力波是广义相对论的一个理论预言：1916年，爱因斯坦想，既然物质的质量会引起时空弯曲，那如果该物体还在加速运动呢？更确切来说，在非球对称的物质分布情况下，物质运动，或物质体系的质量分布发生变化时，会怎样呢？时空弯曲的程度就会发生变化，表现为以光速向外传播的时空涟漪。（具体请参考“认识引力波”系列文章） 2、LIGO的历程家属 1989年开始针对激光干涉引力波观测站LIGO，向美国国家科学基金会申请获取支持，1992年终获批复，1995年开建，1999年启用。真正的LIGO观测始于2002年，结束于2010年。其中2009年至2010年的运行称作S6 run。在频率为100Hz处，LIGO的灵敏度已经达到1e-21，相当于LIGO能分辨出一根长4千米的臂极其微小的长度变化（10-18米，比电子还要小近千倍）。理论上，LIGO可以看到的引力波现象包括：距离我们几十万光年之外的两颗中子星绕转靠近直至并合过程所发出的引力波，超新星爆炸或伽马射线暴产生的爆发式引力波等。但历时9年LIGO并没有直接探测到引力波。 01 run: 2015年9月-2016年1月。2015年9月18日，升级后的LIGO（advancedLIGO,后简称aLIGO）重新开机运行，灵敏度提高至原来的10倍多，至2016年年初完成了第一期的运行，在此期间发现了两次引力波事件GW150914和GW151226。 02run：2016年11月30日-2017年9月。经过短暂的修正和调试，aLIGO从2016年11月30日开始第二次运行，预计2017年8月结束，在此过程中，aLIGO发现了第三个引力波事件GW170104。下一次的改造，可能始于2018年。图1，图片来源：https://advancedligo.mit.edu/adligo_news.html 3. LIGO探测引力波的原理如果一个物体受到引力波的影响，那么它将会一个方向上被压缩，另一个垂直的方向上被拉伸。目前最先生的引力波地面探测器均呈L型，利用激光干涉技术，通过研究激光束的干涉条纹，来探索两臂相对长度是否受引力波影响而变化。以升级后的LIGO（advance LIGO,简称aLIGO）为例，它有两个L型迈克尔逊激光干涉仪，分别在华盛顿的汉福德和路易斯安那的利文斯顿（后分别简写成H1和L1），两者相距3000多千米。对于其中的一个L型探测器，两臂长度均为4千米，一束激光被分光镜分为互相垂直的两束。由于在交叉处和每一条臂的末端都垂放着大约直径34厘米、重达40千克的反射镜，因此每束激光都分别在一系列反射镜上来回反射很多次，最终回到交叉处发生干涉。如果两臂长度保持不变，那么将最终干涉相消，光线不会抵达光电探测器，即最终在输出上看不到干涉信号。但是如果由于引力波轻微地拉伸一条臂，压缩另一条臂，相互干涉的两束激光束就不再能干涉相消，干涉结果将显示出来，使光线外泄到光电探测器上。输出的信号中就蕴含了两臂的相对长度变化，进而告诉我们引力波的消息，LIGO探测器主要测量的就是这种由于两臂相对长度变化带来的干涉信号。 4. 为什么探测引力波很难？（1）引力波信号的强度很低。哪怕是很强的天体物理引力波源所释放的引力波强度，到达地球时也只有1e-21。这个强度的引力波在日地距离上所产生的空间尺度变化仅约1e-10米；而在整个地球这么大的尺度上产生的空间畸变不超过1e-14米，刚好比质子大10倍；在LIGO的长4000米的探测臂上所引起的尺度变化仅约1e-18米，相当于质子大小的千分之一。如何解决这一问题呢？使设备足够灵敏；激光强度足够强，提高设备灵敏度等。（2）干扰信号多而复杂。如何消除这些噪音信号，是难中之难。 5. LIGO进行的升级有哪些？由于目前LIGO探测到的引力波多是从30到500Hz，其中100至300Hz的引力波探测灵敏度主要受热噪声影响，而热噪声又主要是由于反射镜的镀膜（coating）和基底(substrates)材料影响。在S6阶段时，反射镜的材质是熔融石英，25厘米口径，11千克，连接的材料是钢线；而O1时，反射镜的口径增大至34厘米，质量达40千克，连接的材料是熔融石英。熔融石英材料的具有接近零的热膨胀，具有良好的抗热震性。采用这种材料和方式，能减小由于热噪声造成的镜子的扰动。（参考： https://www.advancedligo.mit.edu/overview.html） 600Hz附近的灵敏度主要受霰弹噪声（激光强度的涨落在干涉仪输出端所引起的噪声）影响，霰弹噪声可以通过增强入射激光功率来减小。S6时用的功率是20W；01时用的是22W。而且从S6到O1，还采用了dual recycling technique来减弱霰弹噪声。 O2运行阶段，H1用的功率从22W升到50W，从而降低了在高频端的霰弹噪声，而L1功率未变，但因为降低了散射光噪声（通过对光学控制的精调,fine tuning of the control of theoptics）对低频段（25-100Hz）的影响，所以本领也提升了。同时，The network duty factor of the LIGO detectors in the second observing run is about 51% while it was about43% in the first observing run.（说明：此处先保留资料，供自己和有兴趣的人进一步学习。）未来aLIGO还希望继续提升入射功率至200W，虽然减小了霰弹噪声，但代价是增加了parametric instabilities(缩写成PI’s)、辐射压噪声，也可能造成传感二极管的饱和。【注】 6、这次的引力波事件是如何探测到的？一般来说，最初的探测是由低延迟搜索方式来识别，3分钟之内，该方法标定这一信号是引力波事件。随后，专家们利用匹配滤波器法来进行后续分析，相当于提前已经预备好一个储备有大量的计算机模拟出来的引力波信号的数据库，要从这个数据库中找到与观测信号最匹配的模拟结果。对于GW170104，其实在O1 run之后，它便从L1的数据中被预报出来，但由于H1的calibration state在低延迟搜索方式中（low-latency system）没有设置正确，所以没有预警。经人工调整，确定L1和H1的calibration 都处于一般状态（nominal state）后，就将初步确定的事件位置通知全球合作的天文学家，方便他们进行电磁波段的观测。(参考：http://ligo.org/detections/GW170104/paper/GW170104-PRL-Final.pdf) 然后，继续进行更精细的线下分析，确定它是引力波事件的置信度。针对O2 run得到的数据，科学家们采用了更严格的方法来估算误报率，使用了L1和H1同时观测得到的数据，观测时间跨度要大于5天。 7.这次发现的引力波事件GW170104的特点？通过比对此次观测的波形和不同参数模型，此次发现的引力波事件和之前的两例类似，也是来自于两个黑洞的合并。在合并之前，两个黑洞的质量分别为31.2和19.4个太阳质量，合并后产生了一个48.7太阳质量的黑洞。黑洞合并的一瞬间，以引力波的形式释放出了近2个太阳质量的能量，那一刻所产生的能量要比整个宇宙中所有恒星释放出来的能量之和多几十倍。这次引力波事件被LIGO的H1和L1观测到，H1早探测到了3毫秒。整个信号过程只持续了短短的0.1秒。三次引力波事件的参数对比：比较项 GW150914 GW151226 GW170104 探测时间世界协调时20150914，09:50:45 世界协调时20151226,03:38:53 世界协调时0170104,10:11:58 引力波事件双黑洞并合双黑洞并合双黑洞并合信号的信噪比 23.7 13 13 并合前BH质量(太阳质量) 29.1和36.2 7.5和14.2 31.2和19.4 并合后BH质量（太阳质量） 62.3 20.8 48.7 损失的质量（太阳质量） 3 1 2 并合后的BH自旋 0.68 0.74 0.64 引力波的峰值强度 1e-21 3.4e-22 约4.5e-22 先探测到的探测器 L1 L1 H1 两个探测器探测时间差 7ms 1.1ms 3ms 横跨的频率范围 35至250 35至450 约35至350 在LIGO频率范围内持续时间略小于0.1s（注：在之前的科普文章里，我写成0.2s，指在0.2s内）近1s 约0.1s 引力波源到我们的距离 13亿光年约14亿光年约30亿光年引力波源的位置 230平方度范围 850平方度范围约1200平方度范围图2：LIGO汉福德(H1,左图)和利文斯顿(L1,右图)探测器所观测到的GW150914引力波事件。图中显示两个LIGO探测器中都观测到的由该事件产生的引力波强度如何随时间和频率变化。两个图均显示了GW150914的频率在0.2秒的时间里面“横扫”35Hz到250Hz。GW150914先到达L1，随后到达H1，前后相差7毫秒——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。（此图编辑自Abbott et al., 2016, PRL, 116, 061102的图1）图3：LIGO汉福德(H1,左图)和利文斯顿(L1,右图)探测器所观测到的GW151226引力波事件。图中显示两个LIGO探测器中都观测到的由该事件产生的引力波强度如何随时间和频率变化。两个图均显示了GW150914的频率在约1秒的时间里面“横扫”35赫兹到450赫兹。GW151226先到达L1，随后到达H1，前后相差1.1毫秒——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。（此图编辑自Abbott et al., 2016, PRL, 116, 241103中的图1）图4：GW170104的频率在约0.1秒的事件里面“横扫”35赫兹到350赫兹。GW170104先到达H1，随后到达L1，前后相差3毫秒。（此图来自Abbot et al. 2017, PRL, 118,221101中的图1） 8、这次探测到引力波信号GW170104的意义（1）验证广义相对论（2）发现更大质量的恒星质量黑洞 LIGO看到的都是恒星级质量黑洞。应该说在2016年之前，人们是通过电磁波段发现恒星级质量黑洞，最大的质量也只有15倍太阳质量。所以人们通常认为，更高质量的黑洞在宇宙上是不存在的。但LIGO让我们意识到更高质量的恒星级黑洞的存在，第一次的62倍太阳质量，第二次的21倍太阳质量，和这一次的49倍太阳质量。图5：引力波探测到的黑洞（蓝色和绿色）和电磁辐射探测到的黑洞（紫色）对比图，引力波探测到的黑洞质量都是比较大的。图中绿色的是新探测的黑洞系统GW170104。图片版权：LIGO/Caltech/Sonoma State （3）试图解开双黑洞形成之谜通过模型比对，科学家们发现，GW170104对应的这两个黑洞存在着所谓“进动现象”（precession），也就是说，黑洞自身转动方向和两个黑洞绕转的轨道平面并不完全一致，存在着一定夹角。目前有两种不同的理论，用以解释双黑洞的形成：其一是两个大质量恒星诞生之初就在一起，之后一同演化到老，最终形成双黑洞系统。按理论预计，双黑洞系统的前身——双星系统诞生于同一片星云，因此两个黑洞的有效旋转方向和轨道运动方向通常是一致的。另外一种形成机制是双黑洞形成于星团当中，两个黑洞在星团中是独立形成的，然后才走到一起，形成双黑洞系统。因为星团中心通常比较致密，这种可能性也很大，无论是从理论还是数值模拟，都已证明了这一现象的发生。在这种方式下，两个黑洞的旋转方向无需一致，以致两黑洞的有效旋转方向和轨道运动方向不一定一致。此次引力波观测拟合结果显示两黑洞的有效旋转方向和系统轨道运动方向不一致，倾向于第二种形成机制。（详情还可参考：苟利军黄月 “叒见引力波关于30亿年前宇宙大事的科学家秘密会议记录” ）（3）验证相对论 9. 有什么遗憾？空间定位精度还不够高，三次引力波事件在天球中的位置范围都是几百平方度，而几百平方度对应的星系太多，无法定位到合并黑洞所在的星系。今年秋天，欧洲的Virgo探测器将一起加入观测，届时就有了三个探测器，观测的空间精度将会大大提高。受限于灵敏度，科学家们至今还没有看到双中子星合并、中子星与黑洞合并，以及超新星爆发等等产生的引力波事件。可以确定的是，接下来随着探测能力的提高和更多引力波望远镜的建立，将会看到来自其它天体的引力波以及他们的对应体。 10.研究引力波对人类有哪些的意义？引力波将帮助探索物理上一些重大问题。如为黑洞的存在与否提供更直接的证据（尽管科研团体中已对黑洞的存在非常确定，证明黑洞存在的证据多是黑洞对周围物质所带来的影响，而不是黑洞本身。引力波的发现，尤其是源于双黑洞并合所产生的引力波的发现，将是对黑洞真实存在的一个强有力证据，测量黑洞的自转和质量），回答广义相对论是否正确描述了引力？双黑洞碰撞前后以及碰撞瞬间发生了什么？超新星爆炸的具体细节是什么？超新星爆炸后，中子星和黑洞是如何形成的？引力波为探索宇宙打开了一扇新的窗户，势必会带来更多的科学新发现。过去所做的大部分天文学研究是基于不同形式的电磁波，但电磁波容易被介于目标天体和观测者之间的物质散射或吸收等。如果观测手段是引力波，因为宇宙相对于它们近乎透明，影响微弱，人们将可能观测到在其它方式下被阻挡的天体，以及并没有产生电磁辐射的天体现象。也许有一天，我们可以通过引力波追溯到宇宙的极早期。技术推动新发现，反过来，探索新发现这样的应用需求也会驱动技术的发展。注：The strategies for mitigating PI's involve the tuning of the thermal compensation system's ring heaters to adjust the frequencies of the mirror modes, and the addition of mechanical damping capability for these modes. Radiation pressure noise and sensor saturation are being addressed through continued optimization of the detector's angular control system. （参考https://www.advancedligo.mit.edu/adligo_news.html）; 个人分类: 科普文章|8298 次阅读|4 个评论

聊聊引力波——再次探测到引力波（GW151226），瘦子也有春天: 热度 1 smilemooncat 2016-9-5 10:08; 还记得今年2月11日，家人在电视机面前吃瓜子看电视，笔者则待着电脑前焦灼兴奋地等待一件大事的宣布。如今，这件大事已家喻户晓，就是人类首次直接探测到了引力波。探测到引力波的英雄是升级后的激光干涉仪引力波天文台（advanced Laser Interferometer Gravitational wave Observatory; aLIGO），LIGO和引力波分分钟刷爆朋友圈。对于大众，余热未减，新喜又来。当地时间2016年6月15日，在圣地亚哥举行的天文学会第228届年会上，aLIGO科学合作组织和欧洲VIRGO科学合作组织宣布，aLIGO于2015年12月26日再次探测到了引力波，本次引力波事件称为GW151226，对应的置信度达5.3倍标准差，超过了5倍标准差，表明它是一次真实的引力波事件。会上专家们还发布了一个疑似引力波事件LVT151012，置信度只有约1.7倍标准差。先来回顾下首次探测到的引力波事件。2015年9月14日，aLIGO首次探测到引力波，对应的是质量分别为29倍和36倍太阳质量的两个黑洞不断靠近的相互绕转直至并合，形成一个62倍太阳质量的黑洞，损失的3倍太阳质量以引力波的形式释放出去。根据该引力波事件被探测到的时间，它被称为GW150914。再见到的GW151226和第一次探测到的GW150914有啥异同点呢？艺术家们是这么认为的。艺术家对GW150914（左下角）和GW151226（右上角）的想象图。喜欢列表比较的笔者将信息收集如下： GW151226 与GW150914的异同点比较项 GW150914 GW151226 探测时间世界协调时2015年9月14日09:50:45 世界协调时2015年12月26日03:38:53 引力波事件双黑洞并合双黑洞并合信号的信噪比 23.7 13 它是真实引力波的置信度 5.1 倍标准差 5.3 倍标准差并合前黑洞质量 29.1 倍和36.2倍太阳质量 7.5 倍和14.2倍太阳质量并合后黑洞质量 62.3 倍太阳质量 20 ．8倍太阳质量损失的质量 3 倍太阳质量近1倍太阳质量并合后的黑洞自旋（注：0表示黑洞不转，1表示黑洞极端转动） 0.68 0.74 引力波的峰值强度 1.0e-21 3.4e-22 先探测到GW的探测器位于利文斯顿的LIGO探测器（L1）位于利文斯顿的LIGO探测器（L1） LIGO 的两个探测器探测到信号之间的时间差 7 毫秒 1.1 毫秒在LIGO频率范围内持续的时间 0.2 秒近1秒横跨的频率范围 35 赫兹到250赫兹 35 赫兹到450赫兹引力波源到我们的距离约13亿光年约14亿光年引力波源的位置在230平方度范围内在850平方度范围内从上表可以看出，置信度都大于5倍标准差，表明它们应该是真实的引力波事件。第二次探测到的引力波事件GW151226对应的双黑洞质量更小，引力波的峰值强度更低，在LIGO频率探测范围内持续的时间更长，横跨的频率更宽。为什么呢？在《星际穿越》一书中，基普•索恩用拉伸线和挤压线来表示空间受到的影响。如果一个人躺在拉伸线上，将感觉到自己身体被拉伸，而躺在挤压线上，将感觉到自己身体受到的挤压。如果一对双黑洞相互绕转，它们将拖拽着周围的拉伸线和挤压线转动，形成一个由拉伸线和挤压线所结成的网络，这个网络将随着时间而扩张开来，就形成了引力波。引力波就相当于弯曲时空的传播。双黑洞系统质量越大，对时空的弯曲程度更大；双黑洞绕转地越快，弯曲时空的传播频率更高，即产生的引力波频率越高。双黑洞绕转快慢和产生的引力波频率之间有什么直观的数值关系吗？有，最简单的情况下，对于相互绕转的双黑洞系统，当每秒钟转50圈，对应的引力波频率是50赫兹的两倍——100赫兹。 GW151226 对应的双黑洞并合事件损失的能量比GW150914更低，因此对应的引力波的峰值强度更低。LIGO敏感的频率范围是几十到几千赫兹，一旦信号的频率在这个范围之内，就会被LIGO记录下来。由于绕转过程中角动量的损失，两个黑洞靠得越来越近，就快并合拥抱了。黑洞的质量可近似正比于其体积，黑洞质量越大，就相当于黑洞越胖。两个胖子黑洞相互绕转，可能都快拥抱彼此了，才会转得很快，对应的引力波频率足够高，进入LIGO的敏感范围，即被LIGO探测到。而两个瘦子黑洞在还离得挺远时，就能转得比较快，比如每秒钟绕转几十圈，就被LIGO给发现了。如此一来，LIGO这位家长就监测了两个胖子黑洞从距离彼此很近到拥抱彼此的过程；却能监测到两个瘦子黑洞从距离彼此较远到拥抱彼此的过程。GW151226就像两个瘦子黑洞的舞蹈记录；而GW150914宛如两个胖子黑洞的舞蹈。尽管两个瘦子黑洞的舞蹈的能量弱，对应的引力波幅度低，可能会埋没在噪声中无法被识别出来。大家也可以从图1和图2的最后一行看出，GW150914比GW151226更加明显。可是世界是公平的，虽然幅度低，两个瘦子黑洞的舞蹈产生的引力波在LIGO的敏感范围内，持续的时间更长（虽然也才是秒的量级），跨越的频率范围更宽，这些优势在一定程度上会帮助人类从数据中发现它们。看来，在黑洞的世界里，瘦子黑洞也是有春天的，但瘦子黑洞也不能太瘦，否则即使它在频率范围跨度再绵长，也拯救不了其幅度太小的悲剧。当然，这些优势在解决问题面前是微弱的，最终还是要基于对双黑洞并合的数值模拟和对信号、噪声的理解分析，才能最终识别出信号是否为引力波事件。由于目前探测到引力波信号的LIGO只有两个探测器，彼此相距3003千米，只能定出引力波源的大概位置，在几百到上千平方度范围之内，而无法得到精确位置。近日的发布会透露，VIRGO引力波探测器即将升级完成，届时与LIGO的联合观测将帮助确定引力波源的精确位置，随着更多引力波探测器的加入，位置的确定也将不再是问题。目前，中国也正在积极筹建地面和空间引力波探测器，包括在阿里地区建设、旨在探测原初引力波的阿里实验计划，关注低频引力波的空间引力波探测计划——天琴计划和太极计划。最后，引用清华大学天体物理中心主任、中科院国家天文台星系宇宙学部主任毛淑德教授的原话来表达笔者对中国引力波探测领域的信任和祝福，“中国在此领域的挑战和机遇并存，我们通过扎实的预言和充分的论证，完全可以在此世界强国激烈竞争的前沿领域占据一席之地并取得突破”。图 1 ： LIGO 汉福德 (H1, 左图 ) 和利文斯顿 (L1, 右图 ) 探测器所观测到的 GW150914 引力波事件。图中显示两个 LIGO 探测器中都观测到的由该事件产生的引力波强度如何随时间和频率变化。两个图均显示了 GW150914 的频率在 0.2 秒的时间里面 “ 横扫 ”35Hz 到 250Hz 。 GW150914 先到达 L1 ，随后到达 H1 ，前后相差 7 毫秒 —— 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。（此图编辑自 Abbott et al., 2016, PRL, 116, 061102 的图 1 ）图 2 ： LIGO 汉福德 (H1, 左图 ) 和利文斯顿 (L1, 右图 ) 探测器所观测到的 GW151226 引力波事件。图中显示两个 LIGO 探测器中都观测到的由该事件产生的引力波强度如何随时间和频率变化。两个图均显示了 GW150914 的频率在约 1 秒的时间里面 “ 横扫 ”35 赫兹到 450 赫兹。 GW151226 先到达 L1 ，随后到达 H1 ，前后相差 1.1 毫秒 —— 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。（此图编辑自Abbottet al., 2016, PRL, 116, 241103中的图1）注：本文已于6月发于公众号科学大院（ID：kexuedayuan）和天之文（ID:astron-online）。; 个人分类: 科普文章|4063 次阅读|1 个评论

认识引力波VI——引力波事件GW150914: smilemooncat 2016-3-8 11:18; 从发布会，我们终于知道了从去年9月份就开始频出的传言“探测到了引力波”的真实情况。在2015年9月14日17点50分45秒，LIGO的两个探测器观测到了一次置信度为5.1倍标准差的引力波事件：GW150914。引力波源是两个已经并合的黑洞，基于对信号波形的分析，可以推知并合前质量分别是36倍和29倍太阳质量，并合之后质量为62倍太阳质量，减少的3倍太阳质量（能量）以引力波方式被辐射出去。这表明了人类首次直接探测到了引力波，直接看到了一次双黑洞并合。 LIGO 的精度是1e-21次方量级，对于4000米的干涉臂来说，相当于可以检测出千分之一质子大小的距离变化。升级后的LIGO精度提高了10倍，相当于可以检测出万分之一质子大小的距离变化。尽管传递到地球的引力波信号很微弱，但鉴于LIGO的高精度，其被探测到的置信度是5.1倍标准差，表明了这是一次真实的引力波事件。 LIGO 看到了什么？如何确定了这是一次引力波事件？又如何确定引力波源是双黑洞并合？根据2月11日发表的PRL文章，我们知道的是：2015年9月14日UTC时间9点50分45秒，位于汉福德和利文斯顿的LIGO天文台探测到如图1第一行所示的GW150914信号。最初的探测是由低延迟搜索方式来识别，3分钟之内，该方法标定这一信号是引力波事件。随后，专家们利用匹配滤波器法来进行后续分析，相当于提前已经预备好一个储备有大量的计算机模拟出来的引力波信号的数据库，要从这个数据库中找到与观测信号最匹配的模拟结果。匹配结果如图1第二行所示，果然找到了最匹配的模拟结果。图1：LIGO汉福德(H1,左图)和利文斯顿(L1,右图)探测器所观测到的GW150914引力波事件。图中显示两个LIGO探测器中都观测到的由该事件产生的引力波强度如何随时间和频率变化。两个图均显示了GW150914的频率在0.2秒的时间里面“横扫”35Hz到250Hz。GW150914先到达L1，随后到达H1，前后相差7毫秒——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。（此图版权为LSC/Virgo Collaboration所有）最匹配的数值模拟结果对应的又是怎样一个物理情景呢，看图2：三个阶段：旋进、并合、铃荡。（此图版权为LSC/Virgo Collaboration所有）关于如何理解这三个阶段，LIGO科学合作组织中的陈雁北老师作出了深入浅入的介绍，我就不班门弄斧了，以下将直接饮用他在公众微信号“知社学术圈”发表的文章《爱因斯坦都不敢想象, 我们真的探测到引力波!》。从波的频率演化看，在低频的部分开始。第一阶段：两个黑洞的引力波频率从30Hz开始。这在引力波天文学中是比较低的频段，但是这就意味着黑洞是15Hz轨道频率。再具体点就是，这两个黑洞分别为36和30太阳质量，每个半径大约是一百公里左右，距离是一千公里，每秒钟互相转15圈。第二阶段：到两个黑洞快并合的时候，引力波频率达到100Hz，轨道频率50Hz，就是每秒钟转50圈。这个时候两个黑洞已经快形成一体了，它们每个人“中心”之间的距离大概是两百公里左右。第三阶段：然后，这个合并成一体的扭曲的黑洞继续震荡，逐渐变成一个新的、旋转的黑洞（科尔黑洞）。这个黑洞的质量是63个太阳质量，它的半径大约是160公里。在这个震荡的过程中，这个黑洞主要示发射频率在240Hz左右的引力波，说明它在以120Hz左右旋转，也就是每秒钟120圈。这个过程也可以看作是引力波在黑洞的“光球”周围绕转，并且逐渐逃逸到远处。为什么最终的质量小于两个并合黑洞之和呢？我们不是说过引力波携带能量吗？有一部分的质量以引力波的形式被释放了。这些引力波携带的能量等于3个太阳质量，相当于百分之五的“质量”转化成了“能量。顺便说一句，号称宇宙中最亮的天体伽马射线暴一般释放几千分之一太阳质量所相当的能量。这次引力波功率峰值达到整个可见宇宙发光功率的50倍。黑洞离地球的距离，是从引力波的绝对振幅所推断的。根据这个推断，我们得知碰撞过程发生在14亿光年以外。对应到标准宇宙学中的“红移”，这个事件所在的红移是0.09。在这个事件发生的时候，咱们的宇宙的“尺寸”是现在的91%。 aLIGO 的两个天文台探测到该信号的时间间隔仅7毫秒，而两个天文台之间相距3003千米，大概可以确定引力波源所处的方位，大概位置在600平方度范围内，而精确位置却无法确定。这刚好表明“这还只是个开始”，未来有了更多引力波激光探测器的加入，有了电磁波望远镜的跟进观测，科学家们一定能精确定出它的家。诚如Kip Thorne在发布会上说的，“一扇窗户的打开，往往会带来惊喜。”相信引力波的发现所打开的窗户，会带来更多的惊喜。如今，一个巨大的发现离不开国际合作。就拿“LIGO发现引力波”来说，这是16个国家、1000个科学家25年来的辛勤成果。回想40多年前，虽然理论上有引力波，但在观测上能否被探测到、几率高低、试验设备精度如何都还是未知数，有人愿意使出浑身解数说服、筹钱、参与和付出，该是多么富有英雄气概；而作为资金赞助方的基金机构，也得有一定的魄力和视野吧，能看到该领域的潜力，也愿意承担风险，坚持长达几十年地支持该项目。当然，这其中的苦乐只有参与者才是最真切体会的。未来，国际上将会有更多的类似观测设备与LIGO展开合作，就好像LIGO的两个探测器一样彼此验证信号的真实性，并帮助确定引力波源的真实位置。; 个人分类: 科普文章|7431 次阅读|0 个评论

[转载]关注“LIGO探测的双黑洞或属一“母”所生”一文: dsm9393 2016-2-25 16:27; 关注“ LIGO探测的双黑洞或属一“母”所生 ”一文科技日报北京2月24日电（记者华凌）美国哈佛-史密森天体物理研究中心（CFA）的研究人员称，激光干涉引力波天文台（LIGO）在去年9月14日直接探测到引力波的双黑洞，可能同生于一个寿终正寝时爆发伽马射线的大质量恒星。相关研究成果发表在最新一期的《天体物理学》杂志上。 CFA天体物理学家艾维·劳埃伯说：“这一宇宙中的事件相当于一个孕妇怀了一对双胞胎。”这两个超恒星级黑洞的质量分別为太阳质量的29倍和36倍。LIGO探测到双黑洞并合的信号后，费米伽马射线太空望远镜从天空的同一区域在仅0.4秒后发现爆发出的伽马射线。然而，欧洲新一代伽马射线望远镜（INTEGRAL）并未确认此信号。劳埃伯说：“即使费米的检测是虚惊一场，未来LIGO也应监测伴随事件迸发出的光。不管其是否来自于黑洞的并合，自然总会给我们带来一些惊喜。” 笔者理解这一报道的含义，LIG0发布消息应该测量伽马射线。天体事件毕竟是复杂问题，无法重复试验，无法近距离观测，理论及建模也不成熟。不少问题有待解决。因担心版权纠纷，笔者只摘录转载！; 个人分类: 引力波|1009 次阅读|0 个评论

从类星体到引力波: 热度 19 tianrong1945 2016-2-11 08:55; 20 世纪 60 年代，天文学中有四个重大的发现：星际有机分子，微波背景辐射，脉冲星和类星体。这四个发现都是由研究射电天文方法探测到的无线电波而得到的结论。星际有机分子的发现有助于人类深入了解星云，也有可能由此揭开生命起源的奥秘。其余的三项发现都与“引力”有关，也就是说，直接或间接地为 100 年之前爱因斯坦建立的广义相对论提供了实验观测的证据。半个世纪之前被两个美国工程师所观察证实的微波背景辐射，为基于广义相对论来描述宇宙的诞生和演化过程的大爆炸模型提供了十分重要的依据。微波背景辐射使宇宙学成为了一门精准的实验科学，对 CMB 辐射图细节的分析和研究，至今方兴未艾，详情可见笔者的前几篇博文。脉冲星实际上是中子星，即核心由中子构成。广义相对论建立之后，天体物理学家们也用这个理论来研究恒星的演化过程，恒星的生命历程是与其质量大小紧密相关的，本质上也就是与引力相关。诸如太阳大小的恒星，寿命大约为 100 亿年，比如我们的太阳正值中年，或者说，大约再过 50 亿年之后，太阳会爆发成红巨星，然后冷却，成为白矮星，最后黑矮星（？）。但质量超过 3 倍太阳的恒星的命运与太阳不一样了，它们在爆发成红巨星和超新星之后，因为它们自身强大的引力，最后将“塌缩”成中子星或黑洞。发现脉冲星，即中子星的过程颇富戏剧性，那是在 1967年10月，一个似乎带点偶然的事件。安东尼·休伊什（Antony Hewish，1924年－）是一位英国射电天文学家，他设计了一套接受无线电波的设备，让他一位女研究生贝尔·伯奈尔日夜观察。贝尔在收到的信号中发现一些周期稳定（1.337秒）的脉冲信号。这么有规律！难道是外星人发来的吗？贝尔兴致勃勃地向休伊什报告并继续将收到的信号加以研究，两人将这些信号称为“小绿人”，意为来自外星人。但后来又发现这些脉冲没有变化，不像携带着任何有用的信息。最后人们将这一类新天体称为“脉冲星”，并且确认它们就是30年前朗道预言的中子星，发出的脉冲是中子星快速旋转的结果。安东尼·休伊什也因此而荣获1974年的诺贝尔物理学奖，但大多数人对贝尔未能获奖而愤愤不平。比如霍金在《时间简史》一书中，就只说脉冲星是贝尔发现的。中子星虽然密度极大，大到难以想象的程度，但它毕竟仍然是一个由我们了解甚多的“中子”组成的。中子是科学家们在实验室里能够检测得到的东西，是一种大家熟知的基本粒子，在普通物质中也都存在。而黑洞是什么呢？就实在是难以捉摸了。黑洞从通俗的意义上理解就是任何东西进去就出不来，光也是如此。从广义相对论的角度而言，黑洞是空间的一个奇点。因此也可以说，恒星最后塌缩成了黑洞，才谈得上是一个真正奇妙的“引力塌缩”。刚才说到的 60 年代天文界“四大发现”的另一个是类星体的发现。为什么叫类星体呢？因为如果用光学望远镜观测它们的外貌，看起来与恒星（星体）似乎没有任何区别。但是，从它们观察到的“红移”值非常大，又不可能是恒星，因此便被称为“类星体”。从类星体的红移值，它们更像是星系，然而，也可以从观测类星体的光度变化周期来判定它们的大小，结果却发现其大小远远小于一般星系的尺度。类星体的尺度虽小辐射能力却相当的大。另外还有一些难以解释的特点，以及后来大量的观测数据，使得人们将它们与黑洞联系在一起。之后，发现了类星体的宿主星系后，天文学的主流观点基本上认为类星体是年轻而活跃的星系核，是星系发展早期的一段过程，叫做“活动星系核”（ AGN ）阶段。而在星系核的中心，是一个巨大的超重黑洞，在黑洞的强大引力作用下，一些尘埃或恒星物质围绕在黑洞周围，形成了一个高速旋转的吸积盘。外部的物质被吸进吸积盘，而卷入到黑洞视界以内的物质则不停地掉入黑洞里，被黑洞吞噬，巨大的物质喷流从与吸积盘平面相垂直的方向高速喷出，同时伴随着大量的能量辐射。类星体最后将会演化成如同我们银河系这一类旋涡星系，或者是另外一类：椭圆星系。最有意思的是，后来天文学家们观察到一些拥有两个超重黑洞的类星体，这就大大激发了人们的兴趣。黑洞既然会吞噬周围的一切，那么，两个黑洞碰到一起，会发生一些什么呢？最简单最直观的猜测应该是：它们将互相吞噬，最后合并成一个更大的黑洞。在这个碰撞融合的过程中，一定会以引力波的形式释放大量能量，见图 1 。图 1 ：双黑洞类星体第一个在吸积盘内发现有双超重黑洞的类星体是位于室女座的 PKS1302-102 ，它距离地球 35 亿光年。这个类星体位于一个椭圆星系内。根据计算，这两个黑洞应在 33.39 亿年前就已经互相吞噬而合并了，但这合并后的景象传到我们这儿需要 35 亿年！这些光信息还在半途中，因而我们仍然观测到“双黑洞”！不过，从现在开始，从这个类星体接受到的信息应该是非常精彩的，能让我们看到两个黑洞如何碰撞并合并！此外，除了光信号之外，还有物理学家们正在寻找的引力波，这是爱因斯坦在天国里也要“梦寐以求”的东西啊。根据天体物理的理论，认为引力波也是按照光速传播的，那么，碰撞合并事件中的引力波，也应该可以被探测到！于是，双黑洞的类星体成为探测引力波的热门候选天体，近几年，美国的 LIGO （激光干涉引力波观测站）的观测目标便指向了这类天体。美国花费巨资升级的 LIGO 应是目前最有希望观测到引力波的仪器，最近几天传出不少新闻，据说捕捉到了引力波，《自然》和《科学》杂志都有隐约其辞的文章。明天（ 2 月 11 日）上午 10 点 30 分，华府将有一个新闻发布会，会确认这个消息。专家们将向全世界宣布首次直接探测到了引力波的消息，据说是遥远宇宙空间之外的，由两个黑洞（ 36 倍太阳质量和 29 倍太阳质量）碰撞并合成一个 62 倍太阳质量的黑洞所引发，但愿这次的结果能够进一步得到验证，不要像上次的中微子事件那样了。图 2 ：两个黑洞碰撞并融合的计算机模拟图; 15221 次阅读|21 个评论

更多...

帐号		自动登录	找回密码
密码			注册

关闭 安全验证

标签: 双黑洞

相关帖子

相关日志

关闭安全验证