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LIGO科学组织分析组主席解读引力波最新发现

2017-10-17 浏览次数:134
  来源:电子工程世界

   北京时间10月16日22点,激光干涉引力波天文台(LIGO)科学合作组织和室女座引力波探测器(Virgo)合作组织宣布再次探测到引力波,并观测到其电磁对应体——两颗中子星的并合。

  这一科学发现是如何获得的?它将如何影响人类对宇宙的认识?LIGO和Virgo未来的探测计划如何?科技日报记者对LIGO科学合作组织爆发源分析组联席主席、英国格拉斯哥大学教授、北京师范大学特聘外国专家Ik Siong Heng进行了专访。


Ik Siong Heng
  自1995年起开始引力波研究,目前为LIGO科学合作组织爆发源(Burst)分析组联席主席、英国格拉斯哥大学教授、北京师范大学特聘外国专家。2015年,LIGO科学合作组织Burst分析组实现了人类与引力波的第一次亲密接触,探测到引力波信号GW150914。

  科技日报·耿耿星河:作为LIGO科学合作组织爆发源分析组联席主席,您在引力波探测任务中,主要负责哪部分工作?

  Ik Siong Heng:LIGO科学合作组织和Virgo共有约1400人。他们分成四个工作组来处理探测获得的数据,它们分别是:爆发源数据分析组(Burst),致密双星并合数据分析组(CBC),连续波数据分析组(CW)以及引力波随机背景数据分析组(Stochastic)。这些工作组的名称反映了各组的主要负责分析的引力波信号类型。

  有一些快速暂现源,它们的波形还没有被较好的模型规范化。因此,Burst小组利用该类信号共有的信号特征来搜寻数据,在其中确认引力波信号的存在。正是利用这些方法,Burst组探测到了LIGO的第一个引力波信号(GW150914)。LIGO于2016年2月宣布了这一发现。

  我是这个工作组的三名联席主席之一,负责指导数据分析,并代表全体爆发源数据分析组成员传递分析结果。比如在最新公布的引力波信号GW170817探测中,我们的工作组致力于信号的发现和解释方面的工作。在综合分析伽玛暴监测卫星Fermi的数据以及引力波信号,并论述这项联合观测在天体物理方面应用价值的文章中,Burst工作组做了非常重要的工作。

  科技日报·耿耿星河:这次是哪个探测器先收到引力波信号的?

  Ik Siong Heng:要确定引力波信号确实存在,科学家需要综合分析多个探测器收到的数据,所以我想强调的是,实际上单独讨论哪个探测器最先探测到的并没有太多意义。当然,事件发生有个先后:这次是LIGO 位于Hanford的探测器先收到了一些引起我们注意的引力波信号候选体,随后LIGO位于Livingston的探测器有了相同的发现,最后是Virgo。


  科技日报·耿耿星河:LIGO和Virgo是如何确定这一点的呢?

  Ik Siong Heng:首先,与引力波探测器之间有相关性的噪声相比,GW170817的信号具有统计显著性。

  利用时间平移技术,我们可以发现探测器中的背景噪声是存在相关性的。利用这一关联性,我们测量和扣除了探测器噪声。在进行统计分析之外,我们进行了全面的检查,例如探测器的状态、时间发生时的数据质量(是否存在多大的环境噪声)。

  我们注意到,当信号到达时,Livingstone探测器数据中存在杂散噪声,最终我们根据这些噪声的特征,将它从分析中扣除了。而且我们确认在此期间,没有人为的模拟信号注入。最终,我们确认探测器工作状态良好,那些信号确实来自遥远的天体。

  科技日报·耿耿星河:这次的引力波信号有什么特征?

  Ik Siong Heng:它与之前的双黑洞绕转产生的引力波信号依旧非常相似。随着时间的变化,它的频率和强度都越来越大。然而,由于中子星比黑洞要轻,因此绕转阶段的信号持续的时间更长。这次GW170817信号被观测到持续了超过1分钟,而之前的双黑洞并合引力波信号只有1秒左右。此外,这是我们迄今观测到最强的信号,比第一次观测到的双黑洞引力波信号(GW150914)要强得多。

  科技日报·耿耿星河:LIGO和Virgo是如何确认信号来自中子星呢?

  Ik Siong Heng:引力波信号的频率以及频率的变化率能告诉我们并合天体的质量。我们得到的质量与理论预言的中子星的质量相符。


  科技日报·耿耿星河:您认为这次的新发现,能如何帮助天文学家理解宇宙?

  Ik Siong Heng:传统的光谱观测能提供给我们天体物理现象外层的动力学信息,但引力波观测则能让我们听到那些宇宙中最高能现象们的“心跳”。观测引力波及其电磁对应体,能为伽玛暴、中子星、巨新星以及宇宙学方面的研究,开辟新的空间。

  在伽玛暴研究方面。我们通常认为,两颗中子星的碰撞会产生伽玛暴。引力波能提供系统中中子星质量、自旋等信息。这些基本物理信息能让GRB物理学家构建模型,解释观测到的伽玛暴辐射。此外,通过结合引力波和伽玛暴观测,能够获得系统中中子星其它一些基本信息。在我和湖北第二师范学院教授范锡龙合作的工作中,对如何利用引力波信号来获得与之成协的伽玛暴的光度进行了分析。测量光度是理解这种高能天体物理现象的“至关重要的”一步。利用这个方法对本次事件的分析结果,被LIGO科学合作组织相关文章采纳。另外,引力波还能测量双星系统的“倾角”,这为测定伽马暴发出的相对论性喷流流量提供了信息,从而使天体物理学家能够更好地理解伽玛辐射。

  在中子星研究方面。我喜欢将双中子星并合与欧洲核子中心(CERN)实验室中的粒子对撞实验对照来解释 。为了研究基本粒子,如质子、中子等的内部结构,CERN加速粒子,使它们互相碰撞。对于双中子星系统也是如此。在引力作用下,两颗中子星加速,最终它们相撞在一起。通过观测这个过程,我们可以研究中子星的内部结构,例如中子星的状态方程。由于中子星的内部非常致密、非常高温,因此,在实验室中模拟该状态是十分困难的,对他们研究,我们更大程度上只能寄希望于在浩瀚的宇宙中寻找这种极端的物质状态。

  对于GW170817来说,该信号的演变,尤其是接近并合阶段的信号演变,受到该双星系统中的中子星自身性质的影响。如果中子星更致密一点,或者更稀松一点,引力波的信号都会不同。中子星的保守的密度限制在最近的观测中已经被给出,这有效的帮助了我们排除了那些对于中子星密度估计过低的理论模型。

  在巨新星研究方面。由于它们的信号比较弱,一般认为它们很难被观测到。但是,双中子星并合产生的引力波相对来说距离都比较近,而且为天文学家寻找巨新星提供了目标。因此,我们希望引力波观测未来会帮助发现更多巨新星。

  巨新星是非常重要的一种现象,因为它们与宇宙中所有的重金属(比铁更重的金属)的产生有关。因此,当观测双中子星和巨新星时,我们也是在观测宇宙中稀有、珍贵金属例如金和银的生成过程。


  科技日报·耿耿星河:您对LIGO和Virgo的下一步观测有什么预期?

  Ik Siong Heng:LIGO的探测器目前正在升级过程中。重新投入运行可能要到2018年。在下一轮观测中,由于升级后的探测器灵敏度有所提升,我们期待能探测到更多的双中子星合并事件。然而,这次能探测到双中子星并和产生的引力波不得不说是一种幸运。因为我们本以为需要等待更长时间才能看到这类引力波。因此,很难在仅仅探测到一个这类信号时,就过于乐观地预计未来的实际探测率。


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