人類第三次探測到引力波 有利於驗証引力波無色散

　　5月31日，LIGO－Virgo合作組織宣布探測到又一個確定的引力波事件（GW170104）。這是人類第三次探測到高置信度的引力波信號。如果說對第一次探測到引力波，公眾也許心存質疑，第二次探測則可能被視為巧合，那麼，第三次探測勢必大大增強LIGO團隊的整體信心和公眾對此的信任度。

　　這次令人激動的信號來自30億光年外。這個距離遠大於之前兩次的引力波事件。在宇宙深處，兩個互相繞轉的恆星級黑洞在0.1秒的時間發生並合。它們巨大的“體重”觸發了周圍時空的急劇變化，並以波的形式向外輻射。這個時空的波動就是我們所說的引力波。在浩瀚的宇宙中，它以我們所知的最快速度——光速——向外傳播，30億年后到達地球。在這個漫長的旅途中引力波的振幅變得微乎其微，以至於我們很難在繁雜的背景噪聲中發現它。

　　相信大家還記得第一次和第二次探測到的雙黑洞系統質量分別為62和21個太陽質量，第三次探測到的雙黑洞系統質量介於兩者之間，為49個太陽質量。然而，從純理論計算和電磁觀測結果來看，宇宙中幾乎不會存在大於20個太陽質量的黑洞。不得不說LIGO的結果帶來了巨大的驚喜，讓我們看到更多的宇宙奧秘！

　　這次引力波事件帶來的驚喜不止這些。雙黑洞的自旋方向對理解雙黑洞形成機制很重要。科學家認為雙黑洞系統有兩種形成可能：孤立雙星演化，或者一顆黑洞捕捉另一顆。從此次分析的結果來看：雙黑洞各自自旋方向和軌道方向不完全一致，這暗示雙黑洞系統形成於致密的恆星簇中。另外，由於自旋方向影響著相互繞轉軌道，使其產生“進動”現象。這將反映在引力波波形上。正如廣義相對論所預言：黑洞自旋會對波形演化產生至關重要的影響。因此，通過觀測引力波波形、進一步對黑洞自旋進行限制將有助於我們理解和檢驗廣義相對論的動力學預言。

　　由於最新探測到的引力波具有目前最長的傳播距離，這將有利於驗証廣義相對論關於引力波性質的另一預言——引力波無色散。LIGO科學團隊成員經過一系列分析給出了色散振幅的上限值約為10-19。這意味著，從目前的觀測來看，廣義相對論所預言的引力波零色散與實驗結果非常吻合。

　　這次探測與前一次相隔一年多，難道在此期間aLIGO（第一代LIGO的升級版）毫無收獲？事實恰好相反。aLIGO於2015年9月開始投入運行。第一輪科學運行期間確定捕獲到了GW150914和GW151226兩次引力波事件。其實另有一疑似引力波事件（LVT151012）被探測到，但由於其置信度較弱而未引起關注。在此基礎上，aLIGO的工作人員對數據處理的方法、波源的模擬、探測器的靈敏度等方面做了系統的改進。正如阿爾伯特—愛因斯坦研究所駐漢諾威和波茨坦的負責人所說：“我們現在的引力波探測器具有有史以來最高的靈敏度。也就是說：我們正准備著為自然的力量而驚訝。”第二輪科學運行於2016年11月30日開始，預計到2017年6月截止。到目前為止，除GW170104事件之外，另有6個觸發信號被探測到，這些信號仍需要進一步的數據分析來確定是否為引力波。由此可見，aLIGO探測引力波並非偶然，它逐漸在尋找引力波的漫漫長路上明確了前行的方向。

　　LIGO在1980年代由加州理工學院和麻省理工學院的兩個激光干涉實驗室合作成立。成立之初，LIGO經歷了很多管理糾紛，導致美國科學基金會持謹慎態度。直到1994年團隊給出完善的研究計劃及項目預算，獲得美國科學基金會3億9千萬美元的項目預算，打破基金會贊助項目紀錄。在LIGO-Virgo合作組織聯合招待的第一次科學發布會上，美國科學基金會的代表人作為主要代表發言時，流下激動的淚水。他們出於對科學家的信任和對科學項目的了解，作出了大膽的投資，等待了35年才等到回報。當然這個回報是歷史性的，是突破人類能力和認知的又一極限。至今LIGO合作組織已有1000多名科學家，100多個科研機構，分布在18個國家。其中華人科學家有20多名。

　　今年秋天，歐洲的Virgo探測器將與現在位於美國Hanford和Livingston的探測器一起進行聯合探測。屆時探測的空間精度將會大大提高。與此同時，aLIGO第三輪運行也將開始。隨著LIGO及其他地面干涉儀精度的進一步提高，探測時間的延長，我們有希望看到各種不同的引力波源，比如雙中子星合並，超新星爆發等，以及更多超出想像的引力波事件。

　　作者：重慶大學物理系副教授李瑾，澳大利亞國家引力波研究中心研究助理儲琪。兩位均系LIGO科學合作組織成員。