引力波|时空涟漪！13亿光年之外的黑洞碰撞，人类首次探测到引力波信号_天文|黑洞|科学|中子星|科技

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十倍于全宇宙光度的能量，传播数亿光年，黑洞碰撞的力量

图解：黑洞合并概念图图源：scitechdaily
2015年9月14日，汉福德和利文斯顿的激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, 以下简称LIGO）探测器都观测到了信号GW150914 。这是人类首次探测到的引力波信号。这个信号最初是被所谓的低延迟搜索方法发现的。这种方法通过搜索引力波的波形图案，而不对波形细节建模以加速分析探测器数据。这些高效搜索方法在信号到达探测器仅3分钟后就报告了可能的事件。随后，再将LIGO干涉仪记录的引力波数据和理论上的引力波预测波形进行比较。比较的方法被称为匹配滤波器，用于寻找与测量数据最匹配的理论波形。

上图展示了这种深入分析的一些关键结果，能清楚地表明GW150914是由两个黑洞合并时发出的。该图的中间部分显示了汉福德探测器测得的引力波应变。值得注意的是，测量到的波形（灰色）和由广义相对论推演的黑洞合并波形（红色）之间的一致性令人印象深刻。

图解：GW150914黑洞合并前后引力场变化模拟图图源：LEGO/Georgia-Tech
合并中的黑洞事件视界的各个阶段如图所示：旋进阶段，两个黑洞以螺旋状相互接近；合并阶段，两个黑洞合并；随后的衰变阶段（震荡渐停），新形成的单个黑洞短暂振荡，然后归于静止。
通过引力应变数据与理论预测的比较，我们可以检验广义相对论是否能完全描述这一事件。爱因斯坦的理论完美地通过了这一检验，所有观测到的数据都与预测的一样。我们还可以利用这些数据来确定GW150914的一些具体属性：包括合并前两个黑洞的质量、剩余黑洞的质量以及和我们的距离。
结果显示， GW150914来自于两个黑洞的融合，这两个黑洞的质量分别是我们太阳的36倍和29倍，合并后的黑洞质量是太阳的62倍。我们还推断出合并后的黑洞具有 "自旋" ，即围绕自己的轴心旋转。 1963年，数学家罗伊-科尔首次在理论上预言了自旋黑洞的存在。最后，我们还得知了 GW150914的源头在13亿光年以外。 LIGO探测器观测到的是一个发生在亿万年前天壤悬隔的其它星系的真正举世瞩目的大事件！
图解：黑洞的自旋形态，

X射线强度与能量的关系。图源：NASA/JPL-Caltech
通过比较黑洞在合并前后的质量，我们可以看到，这一惊人的碰撞将三个太阳的质量(近六亿亿亿千克)转化为引力波能量，其中大部分在零点几秒内被释放。相比之下，太阳每秒钟只将其质量的二十万亿亿分之一转化为电磁辐射。事实上， GW150914在短暂瞬间释放的引力波的威力，是可观测宇宙中所有恒星和星系总光度的十倍以上。

图解：卡冈图雅，来自电影作品《星际穿越》，质量达到了1亿个太阳。
GW150914合并前两个天体的巨大质量提供了两者都是黑洞的强有力的证据。特别是考虑到两个天体之间巨大的相对速度和微小的距离，其相对运动速度已经达到了光速的显著比例，而距离仅数倍于黑洞的特征尺寸，即史瓦西半径。
这表明两个天体在合并发生前不久只相距几百公里，当时的引力波频率约为150赫兹。而黑洞是唯一已知的紧凑到可以互相靠近而不合并的物体。根据测量确定的双星系统的总质量，即使是一对中子星也不会有足够的质量，而一对中子星和黑洞的合并频率则会低于150赫兹。（引力波的频率与产生引力波源之间距离成反比）

图解：GW170817 ，两颗中子星合并的模拟图。与两颗黑洞合并不同，中子星合并产生的引力波频率会小于黑洞合并，但中子星碰撞能产生全频谱的电磁辐射，这也是为什么光学天文望远镜也能观测到的原因。图源：LIGO
作者： quora
FY: 漫步者的友人
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