科學家們關於0.22%錯誤率的爭論——黑洞融合是否會產生伽馬射線

2020-12-04 天文在線

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黑洞融合有99.8%可能輻射電磁波？這個可能性足以證明嗎？看看科學家怎麼說

位於華盛頓州漢諾瓦和路易斯安那州利文斯頓的先進LIGO探測器都探測到了一股猛烈、連貫、引人注目的引力波信號，這是這種事件的第一次直接觀測。在跨越了數十年的理論和實驗研究，以及開發工作後，一個清晰的只持續了20毫秒的信號被這些上述的探測器中被連續捕捉到了。結果就是，我們看到了不可思議的情景：分別有太陽質量36倍和29倍的兩個黑洞完成了它們的自轉而合併在了一起，最終產生了一個62倍太陽質量的大型黑洞，並以67%的光速旋轉；同時以引力波形式輻射出其餘的三個太陽質量，按愛因斯坦方程E=mc^2把質量轉化為能量。

理論上兩個黑洞融合時不應該有任何光信號產生，不會有任何的無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線或伽馬射線。但在美國物理學會四月會議上公布的一組數據中，來自美國宇航局費米衛星的學術團隊聲稱，他們觀測到了與LIGO探測到的引力波相一致的伽馬射線事件。這一消息就其本身而言，是既令人吃驚又引人注目。

圖源： NASA's Goddard Space Flight Center.

由瓦萊麗·康諾頓（Valerie Connaughton）領導的小組的一篇新論文，在同行審評中看到了一個薄弱點：伽馬射線包括一次超過50keV的高能輻射瞬時脈衝，約為電離氫離子所需能量的4000倍。由於費米只覆蓋了70%的天空，所以該事件的定位不充分，但是它所觀測的那一部分包含了LIGO觀測到的引力波事件GW150914可能的起源位置。關鍵發現呢？那一事件僅僅發生在LIGO觀測的0.4秒後。根據他們的研究，這一事件是虛驚一場的概率大約為0.22%，意味著有99.78%的可能表明這是真的信號，聽起來是很有可能的！

費米觀測到的事件的伽馬射線計數率

圖源：Figure 2 from V. Connaughton et al., 2016, under review.

但是從觀測的角度來看，有幾處問題

首先，0.22% 的「虛驚一場可能性」對於物理標準來說其實挺高的，當我們想聲稱一項事件是一個真正的觀測時，我們需要5σ顯著性上穩定的置信水平，這相當於0.00003%，或者說1/3500000的錯誤概率。但我們現有的只是一個1/454的錯誤概率，2.9σ顯著的事件。

其次，當伽馬射線監測（GBM）儀器覆蓋70%天空時，在較小的天空區域有一個最佳相應範圍——這個範圍不包括此次爆發的區域，正如論文作者自己說，「瞬間事件的持續時間和頻譜說明，這是一段弱的短伽馬射線，其爆發與費米指向方向呈大角度差異，在此處，GBM探測器的應答不是最優的。」換句話說，這項觀測是基於而費米衛星不可靠的數據產生的。

最後，還有一個競爭衛星項目——歐洲航天局的綜合衛星，明確指出沒有看到與LIGO事件相關的高能信號。發表在著名天體物理學雜誌上的一篇論文中，第一作者沃洛迪米爾·薩夫琴科（Volodymyr Savchenko）得出以下結論：我們尋找了所有可獲得的綜合衛星的數據，但沒有發現任何與LIGO探測有關的高能放射的線索。

換句話說，這0.22%的機率事實上暗示著這個信號有很大可能是錯誤的。當然，如果是正確的，我們就可以縮小信號位置的範圍，但這需要一個很大的假設，因為現存的數據沒有足夠的合理性。

不是說這不可能是真的，也不是說費米的結果沒有暗示性。LIGO合作的下一個目標是把他們未來所有的引力波發現探測結果與電磁（基於光）信號結合起來。理論上，兩個融合的黑洞不會產生電磁輻射，但兩個融合的中子星——LIGO敏感的另一種引力波源，是可以產生的，也可以想到，雖然黑洞不會產生這些伽馬射線，但吸積盤或是起附近的環境可以。

途經的引力波對時空的「漣漪」效應

圖源： ESA–C.Carreau

來自這一事件的引力波肯定是真的，但電磁波就遠不能確定了。一如既往，兩個不同小組互相爭論誰的結果更好，是費米的還是綜合衛星的？這樣是不能解決問題的，只有來自隨後事件中更多更好的數據才有助於解決。引力波天文學這門學科最終還是進入了它的初期，這是進入下一步的一個嘗試。對於結果要我們保持一個開放的心態，但也要對這些聲言極度謹慎，直到得到更佳的數據。

作者： Ethan Siegel Senior Contributor

FY: 趙丁丁

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