LIGO发现来自遥远宇宙黑洞合并的放大信号？

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LIGO合作宣布的所有10个黑洞合并(以及它们的引力波信号)的可视化。根据一项新的研究，最后一行描述的两个合并-GW170809和GW170814-实际上可能是单个事件的孪生图像，被一个干涉星系的引力效应分割和放大。

2016年2月，LIGO合作宣布，在时空中发现了称为引力波的波纹，这一发现意义重大，足以赢得2017年诺贝尔物理学奖。现在，另一位诺贝尔奖得主说，LIGO在不知情的情况下又取得了另一个惊人的发现：黑洞合并产生的引力波被星系间的引力放大了。

这种现象被称为引力透镜，通常被用来研究非常遥远的宇宙中物体发出的光。但是新的发现，如果被证明是正确的，将使它成为第一次发现透镜引力波。这一有争议的主张已经被LIGO团队的成员驳回。来自加州大学伯克利分校的物理学诺贝尔奖获得者乔治·斯穆特和他的同事们提出了这一主张，他说：“我们用自己的声誉担保这件事情。”

LIGO(激光干涉引力波观测站)由美国的两个探测器和意大利比萨郊外的Virgo探测器组成，到目前为止，已经共同宣布了10对黑洞和一对中子星合并产生的引力波的观测结果。

斯穆特看到的正是黑洞。根据LIGO-Virgo的分析，黑洞合并发生在相对较近的宇宙中，距离地球几十亿光年。许多合并的黑洞质量约为30个太阳，其中一个质量约为50个太阳质量。这样的黑洞是由巨大恒星的引力崩塌而形成的。根据斯穆特的说法，我们的星系，以及LIGO调查的附近宇宙，都缺乏形成这样大黑洞所需的低金属丰度恒星。如果是这样的话，这将导致本地宇宙中LIGO观测到的质量范围内的黑洞的贫乏。斯穆特说：“你能制造的最大质量大约是20个太阳质量。除非是在非常不寻常的情况下。”

为了支持他们的论点，斯穆特和西班牙毕尔巴鄂巴斯克大学(University Of Basque Country)的汤姆·布罗德赫斯特(Tom Broadhurst)和西班牙桑坦德坎塔布里亚大学的乔斯·马尔·迭戈(José María Diego)指出，对银河系黑洞对的X射线测量表明，这类黑洞的质量分布在10个太阳质量左右。假定LIGO研究的更大空间中的黑洞也存在同样的分布，斯穆特和他的同事认为，LIGO-Virgo团队对黑洞质量的更高估计肯定是一个错误的计算。斯穆特和他的同事说，LIGO和Virgo实际上看到的不是附近宇宙中异常大的合并黑洞产生的引力波，而是更远的地方发生的较小的合并事件--大约100亿光年远，通过引力透镜放大并可见。

爱因斯坦时空望远镜

根据爱因斯坦的广义相对论，引力透镜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的物体之间，那么这个星系的行为就像透镜一样，弯曲时空来放大从地球上看到的那个物体的光。引力波也必须跟随弯曲时空--所以它们也可以被引力透镜和放大。此外，一个物体离地球越远，它的光（或称引力波）就越有可能被中间的星系所吸引。总之，这些情况为斯穆特和他的同事们声称LIGO-Virgo一定看到了引力透镜黑洞的合并提供了一剂良方。在谈到LIGO-Virgo的探测目录时，斯穆特说：“我们认为其中三分之二的事件都是被透镜化的。”

芝加哥大学(University of Chicago)LIGO合作组织的成员丹尼尔·霍尔兹(Daniel Holz)完全不相信这一点。早在LIGO和Virgo进行探测之前，他和他的同事们就预言，天文台将看到各约30个太阳质量的黑洞合并。他同意，与今天的宇宙相比，在早期宇宙中会形成更多的低金属丰度恒星，因此，与现在相比，当时会形成更多的30个太阳质量黑洞。但是，尽管大多数这些巨大的黑洞形成于早期的宇宙时代，他仍然相信LIGO和Virgo现在在相对局部的宇宙中探测到它们的合并，因为最终导致两个轨道黑洞合并的引力舞蹈是一个持续数十亿年的过程。

此外，霍尔茨补充说，地面调查显示，事实上，一些低金属丰度区域确实存在于本地宇宙中，所有这些区域都可能蕴藏着这样的二元黑洞，每个黑洞有30个太阳质量。他说：“你把所有这些都放在一起，然后你就可以对LIGO的表现做出预测。”他补充说，检测结果与预测一致，这使得LIGO-Virgo事件中的任何一件都不太可能是透镜事件。“目前恒星形成和演化的理论基础，以及二元黑洞的形成和演化，似乎相当好地解释了迄今为止所有的LIGO观测结果。没有必要采取极端投机性的模式。”

新发现还是幻象？

然而，斯穆特和他的同事们并没有让步。他们认为他们已经在LIGO-Virgo的数据中确定了至少一个确定的透镜事件。当一个遥远的源被透镜照射时，来自该源的光或引力波可以沿着透镜星系周围的多条路径，这些路径可以在不同的时间到达地球，从而生成多张图像。

根据他们的分析，两起事件，2017年8月9日的一起事件(GW170809)和五天后的另一起事件(GW170814)，实际上是同一次合并的不同图像。该小组认为，这些信号具有许多关键特征，在这两种情况下，对合并黑洞质量的估计几乎相同。它们在天空中的大致位置也有小的重叠。

LIGO团队则不同意。位于印度班加罗尔的国际理论科学中心的合作成员帕拉梅斯瓦兰·阿吉思（Parameswaran Ajith）和他的同事分析了LIGO-Virgo所看到的所有10个黑洞合并事件。他们寻找成对事件之间的一致性，这可能是透镜的暗示。他们考虑了每对黑洞的七个不同的特性，包括斯穆特的团队没有考虑的一些特性，比如黑洞的旋转角动量和二元黑洞的方向。两对事件(其中一对是GW170809-GW170814对)显示出较强的相关性。

但阿吉思和他的同事们的分析表明，即使是这样，也有超过5%的几率是偶然产生的(小于所谓的2西格玛结果)。在物理学中，一个发现通常需要一个5西格玛的结果，或者统计上不到0.00006%的几率的偶然事件。小于2西格玛甚至被认为是不可信的。换句话说，斯穆特和他的团队所说的相关性很重要，但可能仅仅是数据中的假象。

时间会证明一切

对透镜引力波的无争议观测将极大地扩大LIGO和Virgo的科学范围。首先，透镜产生来自同一事件的多个图像或信号，这些信号到达地球的时间可以是数小时、几天或几周。由于地球自转，LIGO和处女座的仪器相对于源的方向会在两次探测之间发生变化，这类似于多个探测器对同一事件进行观测(并产生更多信息)。阿吉思说：“如果你能将这一点与透镜星系的光学观测结合起来，你可能实际上能够很好地确定二元黑洞的来源。”

因为透镜事件可能来自早期的宇宙，它们将允许物理学家探索和回答更多关于恒星和黑洞随时间演变的更微妙的问题，例如，随着时间的推移，恒星和黑洞的演化过程。

霍尔茨坚持要求提供更有力的证据，但仍对这一前景感到兴奋。他认为，下一代的引力波探测器将毫不含糊地发现古老的黑洞合并，在此过程中，未具名的星系可能偶然向地球弯曲了这些黑洞合并的涟漪。

  
本文选自：今日头条