引力波又一发现!LIGO观测到天体间的引力透镜现象

引力波又一发现!LIGO观测到天体间的引力透镜现象

激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO)于2016年2月宣布,引力波的发现意义重大,足以获得2017年诺贝尔物理学奖。现在,另一位诺贝尔奖得主表示,LIGO在不知不觉中又有了另一项惊人的发现:被介入星系的引力所放大的引力波(由黑洞合并产生)。

这种现象被称为引力透镜现象,通常用于研究遥远宇宙中的天体发出的光。但是如果经证实,那么关于引力波观察,这样的论断还是第一个。但LIGO团队成员否认了这一有争议的说法,该说法由加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的物理学诺贝尔奖得主乔治·斯穆特(George Smoot)及其同事提出。他表示:“我们以自己的名誉做担保。”

LIGO由美国境内两个探测器和意大利比萨城外的一个探测器Virgo组成。到目前为止,LIGO这三个探测器已经分别探测到了10对黑洞合并和一对中子星合并的引力波。

斯穆特看到的是黑洞。根据LIGO-Virgo的分析,这些黑洞合并发生在距离相对较近的宇宙中,通常距离地球几十亿光年。许多合并的黑洞的质量约为太阳质量的30倍,其中一个约50倍。这样的黑洞是由巨大的恒星引力坍缩形成的。斯穆特表示,我们的银河系以及LIGO观测到的邻近宇宙缺乏形成如此巨大的黑洞所需的那种恒星——即低金属星。如果是这样的话,LIGO观测到处于这个一定质量范围内的黑洞应该会比较稀少。斯穆特说:“除非情况特殊,否则能观测到的黑洞的最大质量大约只有太阳质量的20倍。”

为了支持他们的论点,斯穆特和位于西班牙毕尔巴鄂的巴斯克大学的天体物理学家Tom Broadhurst以及西班牙桑坦德的坎塔布里亚大学的José María Diego指出,银河系中黑洞对的X射线测量结果表明,大约是太阳质量10倍的黑洞在宇宙中分布最多。假设黑洞在LIGO所研究的更广泛的宇宙中也存在同样的分布的话,斯穆特和他的同事们认为,LIGO - virgo团队对更高质量黑洞的估计一定是错误的。他们表示,LIGO和Virgo看到的可能并不是来自附近宇宙的非常大的黑洞合并所产生的引力波,而是发生在更远地方更小的黑洞合并——大约100亿光年的距离,然后通过引力透镜现象放大后被看到。

爱因斯坦的时空望远镜

根据爱因斯坦的广义相对论,引力透镜现象的形成是因为星系和星系团明显扭曲了时空。如果一个星系位于地球和某个遥远天体之间,那么这个星系就会像一个透镜,从地球上看的话,弯曲时空会放大遥远天体的光。引力波也一定遵循弯曲的时空原则——因此它们也可以被引力透镜现象透镜化和放大。此外,一个天体离地球的越远,它的光或引力波被一个介入其中的星系引力透镜化的几率就越大。综上所述,这些情况为斯穆特和他的同事们认为LIGO-Virgo一定是看到了由于引力透镜现象产生的黑洞合并提供了证据。谈到LIGO-Virgo的探测目录时,斯穆特说:“我们觉得他们看到的三分之二的黑洞合并都是由引力透镜现象引起的。”

芝加哥大学LIGO合作项目的成员丹尼尔·霍尔兹(Daniel Holz)完全不以为然。早在LIGO和Virgo探测到黑洞之前,他和他的同事就预测到,这些天文台将会看到质量都为太阳质量的30倍的两个黑洞的合并。他同意与现在的宇宙相比,早期宇宙中会形成更多低金属星,因此,与现在相比,那时会形成更多质量30倍于太阳质量的黑洞。因为最终导致两个互相环绕运动的黑洞合并的引力作用是几十亿年来一直存在的一个过程,所以尽管这些庞大黑洞多形成于早期宇宙时代,他仍然确信LIGO和Virgo 现在还能在相对局部的宇宙中探测到它们。

此外,霍尔兹补充说,据陆基观测显示,一些低金属区域确实存在于宇宙局部,所有这些区域都可能孕育着每个黑洞质量都30倍于太阳质量的双黑洞。他说:“你综合考虑所有这些因素,然后对应该从LIGO观测到的内容做出预测。”他补充说,探测结果与预测一致,这说明LIGO-Virgo观测到的任何合并都不太可能是由引力透镜效应引起的。“目前恒星形成和演化的理论基础,以及黑洞双星的形成和演化,似乎都能很好地解释迄今为止所有LIGO的探测结果。我们没有必要使用极端的推测方法。”

新发现——还是海市蜃楼?

然而,斯穆特和他的同事们并没有退缩。他们认为他们已经在LIGO-Virgo的数据中确定了至少有一个黑洞合并是引力透镜效应的结果。当一个遥远的星系被透镜化时,天体发出的光或引力波可以在星系周围产生多条路径,这些路径可以在不同的时间到达地球,产生多种图像。

根据他们的分析,2017年8月9日和5天后的两次合并实际上是同一合并的不同图像。研究小组认为,这些信号的许多重要特征都一样,对两个信号的分析都导致了对合并黑洞质量几乎相同的估计,黑洞合并在天空中的可能位置也有一小部分重叠。

但LIGO团队不同意这种说法。来自印度班加罗尔国际理论科学中心的合作成员Parameswaran Ajith和他的同事分析了LIGO-Virgo观测到的所有10对黑洞合并事件。他们寻找成对事件之间可能暗示透镜效应的一致性。考虑了每对黑洞的七个不同特征,包括一些斯穆特的团队没有考虑到的特征,比如黑洞的自旋角动量和两个黑洞的方向等。两组黑洞合并,其中一组是GW170809-GW170814对,显示出比其他合并具有更多的相关性。

但是Ajith和他的同事们的分析显示,即使是针对这两对合并,偶然产生相关性的几率也超过了5%(低于2-sigma原则)。在物理学中,一个发现通常需要5-sigma置信度,或者实验误差的可能性小于0.00006%。Ajith说,“如果小于2-sigma,那甚至可以认为这个实验结果是不可信的。”换句话说,斯穆特和他的团队所说的显著相关性可能只是数据中的误差。

时间会证明一切

对透镜引力波的无可争议的言论将极大地扩展LIGO和Virgo的科学研究范围。对于初学者来说,引力透镜现象可以从同一个合并中产生多个图像或信号,这些信号到达地球的时间可以以小时、天或周为间隔。由于地球自转,LIGO和Virgo仪器在不同探测之间的观测方向会发生变化,这就类似于使用多个探测器同时观测同一个事件(并获得关于同一事件的更多信息)。Ajith说:“如果你能把这个变化和透镜星系的光学观测结合起来,你就能很好地确定双黑洞的来源。”

而且由于通过透镜现象的事件会是发生于早期宇宙,它们将允许物理学家提出并回答更微妙的问题,例如,恒星和黑洞随时间会如何演化。布罗德赫斯特说:“你不是在研究天文学,而是在研究宇宙学。”

霍尔兹坚持要有更有力的证据,但仍对前景感到兴奋。“如果有一天我们能够测量出一个受到强烈引力透镜现象影响的黑洞合并,那不会很棒吗?”他认为我们需要下一代的引力波探测器才能证据确凿地发现古老的黑洞合并现象,这个合并产生的引力波会被未知的星系通过引力透镜现象偶然地弯曲,然后传到地球。