【博科园-科学科普】自从LIGO合作检测到第一个直接引力波事件已经不到两年了，这是由两个黑洞在10亿光年之外的合并造成的。
两个黑洞合并的概念图，有吸积盘。在这里物质的密度和能量不足以产生伽马射线或x射线爆发，但你永远不知道自然会发生什么。图片版权：NASA / Dana Berry (Skyworks Digital)
从那以后LIGO发现了更多的合并：更紧密的黑洞，信号持续更长的时间，黑洞甚至比第一次更少。但今年早些时候在汉福德、佤族和利文斯顿的孪生探测器，在距离遥远的地方还有第三个干涉仪：在意大利的室女座（VIRGO）探测器。8月14日这三个引力波干涉仪的发现第一个信号（从宇宙到地球）每一个信号都被探测到。有三个工作探测器同时观察宇宙，科学家们现在可以精确定位这些来源的位置。
三个检测器中的噪声 (顶部)、应变 (中) 和重构信号 (底部)。图片版权：The LIGO Scientific Collaboration and The Virgo Collaboration
当有一个信号出现在一个探测器上，可以得到一个粗略估计它与地球的距离(有不确定性)，但是没有关于它的方向的信息。第二个检测器不仅给出了另一个距离估计，而且两个信号之间的时间差给了一些关于距离的信息，允许将自己限制在天空中的“电弧”上。但是第三个探测器有第三次时差，可以精确定位一个点，尽管有很大的不确定性。这就是“三角测量”这个词的来源，因为你需要三个探测器来精确定位原点，这正是处女座（VIRGO）能够做到的。
室女座（VIRGO）引力波探测器的鸟瞰图，位于美国比萨斜塔(意大利)附近的凯萨纳。室女座是一个巨大的迈克尔逊激光干涉仪，臂长3公里，并补充了双胞胎4公里的LIGO探测器。图片版权：Nicola Baldocchi / Virgo Collaboration
非常令人印象深刻的是在LIGO探测器观测到的信号之后，室女座探测器的信号仅到达6毫秒。在这些探测器之间的很长的基线，在美国和处女座在一个完全不同的大陆上，在一个大洋上允许在信号的位置上有一个从未有过的狭窄的位置。
GW170814的国源在天空的定位。图中左边的部分比较了不同分析选择的天空区域，因为它们最有可能包含了GW170814信号的来源，三个重叠区域给出了最可能的位置。图片版权：The LIGO Scientific Collaboration and The Virgo Collaboration
这为测量三维引力波偏振提供了第一个机会，空间在两个垂直方向伸展和收缩。有了三个探测器网络，他们第一次能够证实引力辐射的这一方面。正如你所期望的那样与广义相对论的规定绝对是完美的。
这个图显示了LIGO和室女座的四个自信和一个候选(LVT151012)引力波信号的重建，包括最近探测到的GW170814(在三个探测器中都观察到)。图片版权：LIGO/Virgo/B. Farr (University of Oregon)
信号在三个探测器之间的一致性以及仪器应变的振幅，能告诉我们黑洞的质量、周期和特性是什么。这些第一次探测是绝对不可思议的，但是从位置得到的额外信息将会将引力波观测从一种观察宇宙的新方式转变为与电磁天空相结合的方式。我们的望远镜在整个天空中都不够好，无法看到一个非常大的区域，就像我们能够从以前的事件中减少信号一样。但如果能快速地知道引力波信号起源于哪里，就可以突然寻找一个真正的光学对应物。
这个银河系的三维投影到一个透明的全球显示三个证实黑洞合并事件的可能位置观察到两个LIGO detectors-GW150914(深绿色)GW151226(蓝色),GW170104(红色),第四个确认检测(GW170814,亮绿色,左下)被处女座和LIGO探测器观测到。同样显示(在橙色)中，更低的意义事件LVT151012。图片版权：LIGO/Virgo/Caltech/MIT/Leo Singer (Milky Way image: Axel Mellinger)
随着LIGO和处女座（VIRGO）的改进，这些测量数据的不确定性将会下降，这意味着这些引力波产生的区域将会减小，并能更快地识别出这些引力波，从而更迅速地利用哈勃、费米等望远镜以及未来的詹姆斯·韦伯(James Webb)。有很多与这些合并相关的问题还没有得到回答：
1、黑洞的合并是否包括吸积盘的电磁辐射?
2、是否有合并的余辉，就像伽马射线爆发一样?
3、如果有任何物质加热或被喷射是什么程度?
4、合并的余波或前体的时间尺度是什么?
随着越来越多的探测器出现在网络上(比如日本的KAGRA或印度的下一个LIGO探测器)，随着灵敏度的提高不仅可以期望看到更准确的合并，而且我们可以在更早的时间内看到更大的频率，以及更低质量的黑洞。
LIGO和室女座（VIRGO）发现了一群新的黑洞，它们的质量比光研究(紫色)要大得多。这三种之前确认的LIGO检测(GW150914,GW151226,GW170104)，加上一个较低可信度检测(LVT151012)，以及第四次确认检测(GW170814)，处女座和LIGO天文台都观察到了后者。这些都指向一群恒星质量的黑洞，它们一旦合并就会超过20倍的太阳质量——比以前所知道的要大。图片版权：LIGO/Caltech/Sonoma State (Aurore Simonnet)
这种类型的新知识不仅可以增进我们了解宇宙是如何工作的，可以是一个灵感的源泉，当人类在全球范围内和在天文台一起为了我们所有人的利益来实现更大的对宇宙的认识，9月27日发布的公告是正式的：我们现在已经看到了4个双黑洞黑洞合并，第一个在三个探测器上精确定位它的位置，第一次测量了一个引力波的3D偏振。随着时间的推移可以期待更快的结果，更好的信号以及在大规模范围内增加的事件数量。一种新的天文学正在我们面前，人类将永远不会以同样的方式看待宇宙。
作者：Ethan Siegel（天体物理学家）
来自：Forbes science
编译：中子星
审校：博科园
