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科学|70亿光年外传来大新闻，8颗太阳质量瞬间消失，后羿射掉的吗？( 六 )


2019年5月21日 ， LIGO的两座干涉仪（美国华盛顿州的汉福德LHO和路易斯安纳州的利文斯顿LLO） ， 以及意大利北部Virgo干涉仪在第三次运行期间检测到了这次事件信号 。 新发现创造了引力波探测的多项纪录——初始双黑洞最大 ， 分别为85倍太阳质量和66倍太阳质量；并合后的黑洞质量最大 ， 142倍太阳质量；并合过程中转换为引力波能量的黑洞质量最多 ， 约8倍太阳质量以强大引力波能量的形式从双黑洞并合处向宇宙时空辐射出去；距离最远 ， 引力波信号用了70亿年传到我们地球 ， 考虑到宇宙膨胀的因素 ， 黑洞距离地球约170亿光年 。
科学|70亿光年外传来大新闻，8颗太阳质量瞬间消失，后羿射掉的吗？
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图中给出10个双黑洞并合引发的引力波事件 ， 并用小球的大小形象地代表黑洞质量 。 就Schwarzschild黑洞而言 ， 黑洞质量与黑洞半径呈线性关系 。 GW190521事件是到目前为止发现最大质量的双黑洞并合事件 。 丨图源：LIGO/Caltech/MIT/R. Hurt (IPAC)
这次信号来得也很急促 ， 只持续不到0.1秒 。 而且信号峰值频率约60Hz ， 恰是美国城市交流电频率 。 对于从事数据分析的科学家来说 ， 短信号或有可能只是一次噪声 。 研究人员在发表于《物理学评论通讯》（PRL）的论文中表示 ， 他们并未发现明显的电力波动 ， 检测供电系统的传感器十分敏感 ， 因为电压波动比一般的瞬态噪声还小得多 。
他们将该信号与最初发现引力波的信号进行对比 ， “这更像是某种东西‘爆炸’ ， 并且是LIGO-Virgo探测到最剧烈的信号” ， 法国国家科学研究中心（CNRS）研究员Nelson Christensen说 。 LIGO-Virgo多个团队对信号进行了详细分析 ， 背景噪声相对于以往并无太大差别 ， 又排除了其他偶然事件（LHO周边恰有直升机经过） ， 让他们确定信号不是噪声 。
那么究竟是否是引力波信号呢？LIGO-Virgo合作团队有两类算法来识别信号 ， 一种是在数据中挑选出特定的模型双星并合信号 ， 依靠设计好的双黑洞或中子星等天体运动的模型作为模板 ， 而且为了相互验证 ， 这类算法中是两种不同的工具（PyCBC和GstLAL）；另一种是更“万能”（coherent WaveBurst ， 简称“cWB”） ， 针对各种突发信号 ， 错误率仅为4900年一次 ， 最早发现的引力波信号就是通过这种算法发现的 。 三种算法都发现了本次事件信号 ， 在PRL的论文中 ， 他们主要解释了算法识别的真实性 ， 肯定了信号源于引力波 ， 并且符合双黑洞并合模型 ， 同时确定相关参数 。
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上三张图中 ， GW190521引力波事件信号埋藏在背景噪声中 ， 而且相对LIGO的而言 ， Virgo的信号很弱 。 下三张图中 ， 不同频率成分的信号强度（黄颜色表示最强）随时间的变化；同样地 ， 用人眼鉴别很难判断Virgo是否探测到信号（右下） 。 丨图源：DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.101102
同时发表在《天体物理学杂志通讯》（ApJL）的文章详细分析了信号来源 。 双星系统并合的引力波模型中主要分三个阶段——环绕（Inspiral）、并合（Merge）和铃宕（Ringdown ， 最终稳定前的阶段 ， 就像敲钟后） 。 事件信号虽短 ， 但整个过程符合广义相对论解析/数值解和数值相对论模拟给出的双黑洞并合模型 。 值得一提的是 ， 铃宕阶段模拟给出最终黑洞的有效进动自旋较大 ， 暗示了存在进动——黑洞的自旋轴与轨道轴不一致而引发的 。 事实上 ， 自动检测信号的算法中并没有纳入黑洞自旋轴环绕轨道轴进动的模型 ， 所以研究人员在检测到信号时就担心模板不适用 ， 最终模拟结果是黑洞自旋轴环绕轨道轴的进动对模型影响很小 。 这似乎暗示着某种程度的模型参数简并 。
数值相对论模拟显示黑洞演化并释放出引力波辐射丨来源：D. Ferguson, K. Jani, D. Shoemaker, P. Laguna, Georgia Tech, MAYA Collaboration【相关视频请前往“返朴”公众号查看】


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