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引力波发现的这五年 引力波的发现( 二 )


利用引力波测量致密天体的自旋 ， 虽然不如质量测量精确 ， 但仍然可以提供一些有趣的信息 。简单来说 ， 致密双星是由孤立的大质量双星演化而来的 。两个天体的自旋垂直于双星的轨道平面(也叫“自旋排列”)；但在动态演化形成的致密双星团中 ， 两个天体的自旋方向可能是完全随机的 。
在分析了Virgo处女座的双黑洞自旋测量后可以发现 ， 并不是所有的黑洞自旋方向都与双星轨道对齐 ， 甚至有些黑洞自旋可能与轨道方向相反 。这说明有些双黑洞很可能是动态演化形成的 。
多信使天文学的诞生
与黑洞合并相比 ， 双中子星合并和中子星-黑洞合并更引人注目:它们可能同时发出引力波、电磁波甚至中微子 。2017年8月17日发现的首个中子星并合 ， GW170817 ， 几乎满足了天文学家对“多信使天文学”的所有期待 。
两颗中子星并合后1.7秒 ， 发现了一个与引力波源同方向的伽马射线爆发 。LIGO和室女座引力波探测器的观测将信号源的方向锁定在31平方度天空空的范围内 ， 距离地球约1.3亿光年 。引力波和伽马射线的相关探测引起了地球上和Tai 空中几乎所有天文观测设备的兴趣 。中子星合并11个小时后 ， 光学望远镜首次在NGC 4993星系方向发现异常光 。随后 ， 天文学家在紫外线、红外线、X射线和无线电波段观测到了相应的电磁信号 。这是继GW150914之后又一个划时代的发现 。自从该发现发表以来 ， 平均每天有3篇以上的论文在研究它！
图3 。通过引力波和伽马射线对GW170817的天空空进行定位 ， 并发现其光学对应物(来源:B.P. Abbott等人2017 ， APJL ， 848 ， L12)
双中子星的引力波信号包含了中子星潮汐形变的信息 。不幸的是 ， 这些信息出现的频率相对较高 ， 即双星在轨道上运行并接近合并 ， 频率高于几百赫兹 。在这个波段 ， 目前的Virgo室女座探测器的灵敏度已经显著下降 。所以目前的引力波探测很难通过潮汐形变区分中子星和黑洞(注:理论上黑洞没有潮汐形变) 。从GW170817的引力波观测可以知道 ， 两个合并天体的质量约为太阳的1.4倍 ， 在典型中子星的质量范围内 。当然 ， 从电磁波段的观测来看 ， 有理由相信GW170817是由两颗中子星合并产生的 。所以引力波分析显示GW170817两颗中子星的半径约为12公里 。
GW190425是LIGO和处女座发现的第二次中子星合并事件 。不幸的是 ， 当时只有一个探测器捕捉到了这个信号 。尽管做了很多努力 ， 天文学家还没有找到GW190425的电磁对应体 。考虑到距离更远(5亿光年) ， 天空空的定位精度更差(八千平方度) ， 这个结果可能并不意外 。
但是GW190425受到了极大的关注 ， 因为引力波测得的中子星质量有点出乎意料 。GW170817和银河系脉冲星观测已知的十几对双中子星系统的总质量都低于2.9倍太阳质量 ， 而GW190425的两颗中子星的总质量达到3.3倍太阳质量！
引力波宇宙学和检验广义相对论
测量宇宙的加速膨胀速度(即哈勃常数)是当前宇宙学中的一个基本问题 ， 需要同时测量天体的距离和红移(即天体的退行速度) 。与电磁观测依靠“距离阶梯”不同 ， 引力波可以直接测量双星合并事件的距离 。GW170817的多信使观测显示了引力波宇宙学的潜力:组合引力波的距离测量和其宿主星系NGC4993的红移测量限制了哈勃常数 。当然 ， 仅靠GW170817的观测还远远不足以解决所谓的“哈勃问题”——分别测量了Ia型超新星和宇宙微波背景辐射的不同哈勃常数 。随着未来更多双星合并信号的发现 ， 引力波观测有望成为宇宙学重要的独立研究手段 。
引力波的发现验证了广义相对论的预言 ， 同时越来越多的引力波观测也在进一步检验广义相对论 。比如广义相对论指出引力波以光速传播 。引力波信号GW170817和伽玛射线暴GRB 170817A的到达时间相差只有1.7秒 。考虑到波源距离地球1.3亿光年 ， 引力波的传播速度与光速相差不超过10-16 。到目前为止 ， 对LIGO-处女座的一系列引力波事件的分析并没有发现任何偏离广义相对论的迹象 ， 比如引力子质量为零 ， 引力波只有两种偏振模式等等 。
展望未来
LIGO和处女座探测器预计将在2022年6月后开始第四次科学运行 ， 届时日本的KAGRA探测器将正式加入全球观测网络 ， 并实现相当的灵敏度 。此外 ， 位于印度的LIGO-印度探测器也将在几年内开始运行 。这些探测器将在2025年左右达到设计灵敏度 。粗略估计 ， 2025年前后的引力波事件样本将包含500个双黑洞合并 ， 50个双中子星合并 ， 50个中子星-黑洞合并 。


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