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谈谈引力波事件触发的多信使天文学

2019-05-20
 

 

 

注意:本文不是专业解读,只是一个外行利用公开信息进行的随意解读。

 

2017年9月,正是诺贝尔奖颁奖前的最后冲刺阶段,“多信使天文学”进入了群众的视野。“多信使天文学”指的是同时利用多种手段开展的天文学观测,比如说,引力波、电磁波、中微子或者宇宙射线,等等。GW20170817引力波事件是直接的导火索,随后不久,引力波探测就得到了当年的诺贝尔物理学奖。

能够用多种探测手段来进行天文学观测,这是非常近代的事情了。宇宙射线的检测大概是最早的非光学探测技术了,其历史还不到一百年;第二次世界大战结束以后,雷达技术的进步才导致了射电天文学的兴起;超新星1987A让我们第一次探测到来自于太阳系以外的中微子;哈勃望远镜的升空、伽马射线暴的监测和引力波的探测就更晚了。

第一次“多信使天文观测”开始于大约两千年前。据《后汉书?天文志》记载:“中平二年十月癸亥,客星出南门中,大如半筵,五色喜怒,稍小,至后年六月消。”1960年代,科学家确认这是人类对超新星的最早记载,将其称为“SN185”(爆发于公元185年的超新星),并确认“RCW86”是它的残骸,位于8000光年外。2011年,美国航天局发布了“RCW86”的合成照片,组合了美国航天局斯皮策太空望远镜和“广角红外测量探测器”的红外图像以及先前美国航天局钱德拉X射线太空望远镜和欧洲航天局XMM牛顿天文望远镜的X射线数据。美望远镜解密汉代神秘天象 发布超新星合成照片 )。

 

因为宇宙太大了,离我们太远了,现在的天文观测仍然处于“守株待兔”的阶段,引力波探测的成功使得情况有所改善。这是因为大很多天文观测手段要么视野很窄,要么很难确定事件发生的方位,而引力波事件是能量巨大的天文学事件,引力波的传播速度是光速,而距离很远的引力波探测站又能大致确定事件发生的方位。所以,大家对引力波触发的多信使天文学抱有很大的期望。

有些遗憾的是,GW170817这次“多信使天文观测”事件并不完美。第一个预警来自于伽马暴监测卫星Fermi,它在检测到伽马暴GRB 170817A(2017年8月17日12:41:06 UTC)以后仅仅14秒钟,就自动发出了预警。LIGO尽管更早(大约早了1.7秒种)发现了GW170817(12:41:04 UTC),但是在6分钟后才发出预警,而且还是较低的级别,因为这是根据LIGO Hanford数据给出的;大约40分钟后才发出了正式预警。幸亏LIGO的预警促进了其他观测组的兴趣,并得到了后续观测结果的进一步支持——预警发出之后不到11个小时,天文望远镜就在预警的区间里观测了信号。(引力波探测需要更多的检验

 

因为第一次出手不是很漂亮,所以大家希望看到更多的引力波事件,希望看到引力波触发的多信使天文观测。经过一年多的休整以后,引力波探测团队于2019年4月1日开始了第三轮探测,预计为期一年。(第三轮引力波探测实验即将启动

目前,三台观测站(LIGO Livingston, LIGO Hanford, VIRGO)都正常工作,而且可以自动处理引力波事件。一旦两个或更多观测站同时检测到的信息,就自动发送信息,无需人工干涉。信息的自动发送借助于天文学界也已成熟的实时信息分享网络GCN(起初是用于共享伽马爆信息的),有两类信息:Notice是机器码,用于机器处理;Circular是文本信息,可以让人阅读。

这个信息共享网络已经存在多年了,而且是对公众开放的,谁想看都可以看的。所谓的“泄密”或者“保密工作做得很好”(比如说两年前诺奖公布名单前的“暴风雨前的宁静”和“喧哗与骚动”),我觉得都是噱头,原因不过是外人不关心,或者圈内人怕惹麻烦。但是,不怕麻烦的外人随时都可以知道具体进展的。


在过去的一个月里,已经观测到了5次引力波事件,引起了天文学界的很多跟踪观察。随便说两句吧。再强调一遍:本文不是专业解读,只是一个外行利用公开信息进行的随意解读。真正的数据解读正在进行中,我也不知道具体如何解读。

首先,引力波事件的命名有所变化。以前的命名规则是GW加上事件发生的日期(例如GW50914),现在是用字母S开头(可能是因为还没有完全确定就要发送消息,即所谓的超事件super event),在日期后面又添加了两个字母(S190421ar),也许是因为他们预期会有更多的引力波事件发生,避免重名的尴尬。

出现了一次虚警,S190405ar(第二轮观测的最后一个月里没有虚警)。因为第三轮观测刚开始,总会有些磨合问题,这也是团队预期到的。虚警发生后没有出现后续的跟踪观测,可能是因为有人工团队进一步处理鉴别信号,及时取消了虚假的警告。我觉得这也说明,所有的发现都发送消息了,毕竟引力波事件是个瞬态过程,不及时跟踪的话,观测的可能性乃至其价值和意义就会下降很多。

一个月内观测到5次引力波事件,S20190408anS20190412nS20190421arS20190425zS20190426c。前三次事件是双黑洞融合事件,第四次是双中子星合并事件(99%的可能性),第五次也可能是双中子星合并事件(50%的可能性)。

这个数字比我预期的少(但我确实听LIGO团队的人说过,第三轮观测预期每周大约一次引力波事件)。第二轮的最后一个月里,观察到6次引力波事件,而第三轮开始时LIGO团队说,系统的信噪比有大幅度的提高。用双中子星事件探测(BNS Range)范围来说,在第二轮里,LIGO Livingston、LIGO Hanford 和VIRGO分别是100,70和30,而第三轮则是140,110和50,单位是百万秒差距(1秒差距是3.26光年),因为探测体积是探测距离的立方关系,所以我预期是每周两三次的黑洞事件。也许是统计涨落吧,也许信噪比的改善并没有那么大。(引力波事件的初步统计性质 

从引力波触发的后续天文观测来看,每次事件也有很大差别。

S190408an(三个观测站都看到了)引起了30多个观测报告, S190412m(三个观测站都看到了)只有不到20个,而S190421ar(两个LIGO看到了,VIRGO没看到)只有14个观察报告。这三次引力波事件都是黑洞合并事件,可能本来也不会有其他天文观测结果的。

 S190425z是个大事件,引起了100多次后续观测。LIGO Livingston看到了,LIGO Hanford当时处于下线状态,而VIRGO没有看到,因为太远了。但是,LIGO团队认为这是一次双中子星合并事件(概率是99%),距离为5亿光年。这种事件有可能引起其他可观测的天文学效应,就像上次的GW170817GRB180817A)那样,它发生在1.3亿光年的距离。很多观测站都关注并测量了随后的事态发展。

引力波事件S190426c发生在随后的一天,三个观测站都看到了,认为它有一半的可能是双中子星合并事件。目前有50多个随后的观察报告。

简单地说,一个月里发生了5次引力波事件,200多次随后的观察结果。但不幸的是,绝大多数观测结果认为,跟引力波没有什么关系。

典型的后续观测报告是,听到引力波事件发生的消息以后,我们马上(尽最大可能,尽最快速度)去那里看了,但是什么也没看到。“没看到”的意思是说,没有看到任何5sigma以上的瞬态信号。“没看到”的说法有很多种,有些是直接说没看到,有些是什么也不说,有些是给出了自己的观测范围,有些是给出了相关信号的上限(其实就是他们仪器的观测噪音本底),有些说我们正在分析数据,如果有什么东西,我们将来会宣布的。

也有一些后续观测看到了一些东西。比如说,发现了一个新的源,以前没有记录过的。但往往是后来其他小组发现,这是其他方法已经看到过的事件(发生在引力波事件以前),或者是没有被其他小组重复,或者其他什么原因。比如说,S190425z之后很快就有了两个备选事件,但后来发现它们是超新星,应该和引力波事件无关。在我看来更关键的是,Fermi卫星并没有像上次(GW170817即GRB170817A)那样观测到伽玛暴。有趣的是,S190426c有一半的可能是双中子星事件,其后续观测的报告数也是S190425z的一半。

所以,目前虽然有了一次半的双中子星合并事件,虽然有150多次的后续报道,但还是没有什么实锤证据。

 

不过,为期一年的第三轮探测才刚刚开始。也许很快我们就可以看到引力波触发的多信使天文学观测,那么,引力波天文学领域的新时代就会真的开始了。



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