引力波又一發現!LIGO觀測到天體間的引力透鏡現象

2020-12-08 前瞻網

雷射幹涉引力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO)於2016年2月宣布，引力波的發現意義重大，足以獲得2017年諾貝爾物理學獎。現在，另一位諾貝爾獎得主表示，LIGO在不知不覺中又有了另一項驚人的發現：被介入星系的引力所放大的引力波(由黑洞合併產生)。

這種現象被稱為引力透鏡現象，通常用於研究遙遠宇宙中的天體發出的光。但是如果經證實，那麼關於引力波觀察，這樣的論斷還是第一個。但LIGO團隊成員否認了這一有爭議的說法，該說法由加州大學伯克利分校(University of California, Berkeley)的物理學諾貝爾獎得主喬治·斯穆特(George Smoot)及其同事提出。他表示:「我們以自己的名譽做擔保。」

LIGO由美國境內兩個探測器和義大利比薩城外的一個探測器Virgo組成。到目前為止，LIGO這三個探測器已經分別探測到了10對黑洞合併和一對中子星合併的引力波。

斯穆特看到的是黑洞。根據LIGO-Virgo的分析，這些黑洞合併發生在距離相對較近的宇宙中，通常距離地球幾十億光年。許多合併的黑洞的質量約為太陽質量的30倍，其中一個約50倍。這樣的黑洞是由巨大的恆星引力坍縮形成的。斯穆特表示，我們的銀河系以及LIGO觀測到的鄰近宇宙缺乏形成如此巨大的黑洞所需的那種恆星——即低金屬星。如果是這樣的話，LIGO觀測到處於這個一定質量範圍內的黑洞應該會比較稀少。斯穆特說:「除非情況特殊，否則能觀測到的黑洞的最大質量大約只有太陽質量的20倍。」

為了支持他們的論點，斯穆特和位於西班牙畢爾巴鄂的巴斯克大學的天體物理學家Tom Broadhurst以及西班牙桑坦德的坎塔布裡亞大學的José María Diego指出，銀河系中黑洞對的X射線測量結果表明，大約是太陽質量10倍的黑洞在宇宙中分布最多。假設黑洞在LIGO所研究的更廣泛的宇宙中也存在同樣的分布的話，斯穆特和他的同事們認為，LIGO - virgo團隊對更高質量黑洞的估計一定是錯誤的。他們表示，LIGO和Virgo看到的可能並不是來自附近宇宙的非常大的黑洞合併所產生的引力波，而是發生在更遠地方更小的黑洞合併——大約100億光年的距離，然後通過引力透鏡現象放大後被看到。

愛因斯坦的時空望遠鏡

根據愛因斯坦的廣義相對論，引力透鏡現象的形成是因為星系和星系團明顯扭曲了時空。如果一個星系位於地球和某個遙遠天體之間，那麼這個星系就會像一個透鏡，從地球上看的話，彎曲時空會放大遙遠天體的光。引力波也一定遵循彎曲的時空原則——因此它們也可以被引力透鏡現象透鏡化和放大。此外，一個天體離地球的越遠，它的光或引力波被一個介入其中的星系引力透鏡化的機率就越大。綜上所述，這些情況為斯穆特和他的同事們認為LIGO-Virgo一定是看到了由於引力透鏡現象產生的黑洞合併提供了證據。談到LIGO-Virgo的探測目錄時，斯穆特說:「我們覺得他們看到的三分之二的黑洞合併都是由引力透鏡現象引起的。」

芝加哥大學LIGO合作項目的成員丹尼爾·霍爾茲(Daniel Holz)完全不以為然。早在LIGO和Virgo探測到黑洞之前，他和他的同事就預測到，這些天文臺將會看到質量都為太陽質量的30倍的兩個黑洞的合併。他同意與現在的宇宙相比，早期宇宙中會形成更多低金屬星，因此，與現在相比，那時會形成更多質量30倍於太陽質量的黑洞。因為最終導致兩個互相環繞運動的黑洞合併的引力作用是幾十億年來一直存在的一個過程，所以儘管這些龐大黑洞多形成於早期宇宙時代，他仍然確信LIGO和Virgo 現在還能在相對局部的宇宙中探測到它們。

此外，霍爾茲補充說，據陸基觀測顯示，一些低金屬區域確實存在於宇宙局部，所有這些區域都可能孕育著每個黑洞質量都30倍於太陽質量的雙黑洞。他說：「你綜合考慮所有這些因素，然後對應該從LIGO觀測到的內容做出預測。」他補充說，探測結果與預測一致，這說明LIGO-Virgo觀測到的任何合併都不太可能是由引力透鏡效應引起的。「目前恆星形成和演化的理論基礎，以及黑洞雙星的形成和演化，似乎都能很好地解釋迄今為止所有LIGO的探測結果。我們沒有必要使用極端的推測方法。」

新發現——還是海市蜃樓?

然而，斯穆特和他的同事們並沒有退縮。他們認為他們已經在LIGO-Virgo的數據中確定了至少有一個黑洞合併是引力透鏡效應的結果。當一個遙遠的星系被透鏡化時，天體發出的光或引力波可以在星系周圍產生多條路徑，這些路徑可以在不同的時間到達地球，產生多種圖像。

根據他們的分析，2017年8月9日和5天後的兩次合併實際上是同一合併的不同圖像。研究小組認為，這些信號的許多重要特徵都一樣，對兩個信號的分析都導致了對合併黑洞質量幾乎相同的估計，黑洞合併在天空中的可能位置也有一小部分重疊。

但LIGO團隊不同意這種說法。來自印度班加羅爾國際理論科學中心的合作成員Parameswaran Ajith和他的同事分析了LIGO-Virgo觀測到的所有10對黑洞合併事件。他們尋找成對事件之間可能暗示透鏡效應的一致性。考慮了每對黑洞的七個不同特徵，包括一些斯穆特的團隊沒有考慮到的特徵，比如黑洞的自旋角動量和兩個黑洞的方向等。兩組黑洞合併，其中一組是GW170809-GW170814對，顯示出比其他合併具有更多的相關性。

但是Ajith和他的同事們的分析顯示，即使是針對這兩對合併，偶然產生相關性的機率也超過了5%(低於2-sigma原則)。在物理學中，一個發現通常需要5-sigma置信度，或者實驗誤差的可能性小於0.00006%。Ajith說，「如果小於2-sigma，那甚至可以認為這個實驗結果是不可信的。」換句話說，斯穆特和他的團隊所說的顯著相關性可能只是數據中的誤差。

時間會證明一切

對透鏡引力波的無可爭議的言論將極大地擴展LIGO和Virgo的科學研究範圍。對於初學者來說，引力透鏡現象可以從同一個合併中產生多個圖像或信號，這些信號到達地球的時間可以以小時、天或周為間隔。由於地球自轉，LIGO和Virgo儀器在不同探測之間的觀測方向會發生變化，這就類似於使用多個探測器同時觀測同一個事件(並獲得關於同一事件的更多信息)。Ajith說:「如果你能把這個變化和透鏡星系的光學觀測結合起來，你就能很好地確定雙黑洞的來源。」

而且由於通過透鏡現象的事件會是發生於早期宇宙，它們將允許物理學家提出並回答更微妙的問題，例如，恆星和黑洞隨時間會如何演化。布羅德赫斯特說:「你不是在研究天文學，而是在研究宇宙學。」

霍爾茲堅持要有更有力的證據，但仍對前景感到興奮。「如果有一天我們能夠測量出一個受到強烈引力透鏡現象影響的黑洞合併，那不會很棒嗎?」他認為我們需要下一代的引力波探測器才能證據確鑿地發現古老的黑洞合併現象，這個合併產生的引力波會被未知的星系通過引力透鏡現象偶然地彎曲，然後傳到地球。

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