LIGO與Virgo聯手觀測到第四個重力波事件:GW170814

■LIGO與Virgo於2017年8月14日聯手觀測到了第四個重力波事件,GW170814,這也是第一次由三個觀測站同時觀測到的重力波事件。

Virgo Observatory. credit: The Virgo collaboration/CCO 1.0

撰文|陳勁豪

自從2015年9月14日,LIGO 觀測到了第一個重力波事件後,可說是正式開啟了重力波天文學。之前所觀測到的三個重力波事件,都是由兩個質量約數十個太陽質量的黑洞合併成一個黑洞。當兩個黑洞合併時,新黑洞的質量會略小於原本的兩個黑洞質量的和。合併過程中所損失的質量,通常是數個太陽質量的能量,則會以重力波的形式往四面八方發散出去。

當重力波傳遞到地球的時候,則有可能被 LIGO 的兩座 L 型的偵測器偵測到。LIGO 是由兩部完全相同的偵測器所構成。L型偵測器的兩臂分別有四公里長。當重力波通過偵測器時,會讓偵測器兩臂之間發生極小的長度收縮,約是質子直徑的千分之一。透過偵測這樣微小的變化,物理學家可以觀測到重力波,進而觀測到兩個黑洞合併的過程。

這次的重力波事件 GW170814 跟過去三個重力波事件不一樣的地方在於這是Virgo第一次偵測到重力波事件,也是第一次有三個重力波偵測器同時觀測到的重力波事件。Virgo位於義大利的比薩附近。Virgo 的構造與 LIGO 的兩個偵測器相當類似,都是L型偵測器,只是臂長比 LIGO 略短一些,約三公里,而且靈敏度大約只有LIGO的四分之一。儘管如此,Virgo 依舊在這次的重力波事件中扮演了相當重要的角色。

根據觀測到的結果,GW170814 是由兩個質量分別為31與25個太陽質量的黑洞,合併成為一個具有53太陽質量的黑洞所放出來的重力波。這個事件距離我們約18億光年遠。

這次由於有Virgo的加入,讓科學家得以知道更多關於這次黑洞合併事件的訊息。首先,由於有三個偵測站同時觀測到這個事件,因此透過重力波抵達三個偵測站的時間差,物理學家可以精確定位這個事件的位置。下圖是物理學家推測過去三個重力波事件(GW150914,GW151226,GW170104)所發生的位置。由於只有LIGO的兩個偵測器,所以沒有辦法精準定位事件確實的發生地點。

相對之下,左下角的 GW170814 便可以精確的定出事件的位置。Virgo 的加入,讓定位的精準度增加了十倍左右。當精確定位出黑洞合併事件的方向後,LIGO 與 Virgo 便通知全世界共25座的各式天文望遠鏡,讓這些望遠鏡可以觀測同一方向,看看是否可以觀測到特殊的訊號。目前為止似乎並沒有觀測到特別的現象。這其實在物理學家意料之中。

事實上,除了兩個黑洞合併會放出重力波之外,兩個中子星對撞也會產生重力波,而且應該會放出大量的光與其它訊號,變成宇宙中最震撼的煙火秀。

Virgo 也對測量這兩個黑洞的自旋現象有重要的貢獻。如果這兩個黑洞的自旋方向一致的話,這兩個黑洞可能是所謂的雙星系統黑洞,也就是這兩個黑洞可能是由類似的機制所產生的。而如果兩個黑洞的自旋方向不一致的話,這表示兩個黑洞可能是兩個各自獨立的黑洞。這次 LIGO 與 Virgo 的觀測結果發現,這兩個黑洞似乎比較類似是兩個各自獨立的黑洞,只是剛好碰上了而合併在一起。

有趣的是,Virgo 在2017年8月1日才正式加入 LIGO 的兩部偵測器,一起偵測重力波,隨即在8月14日便觀測到了 Virgo 的第一個重力波事件。經過一個月的觀測之後,LIGO 與 VIRGO 又再次停機進行升級,預計在2018年秋天會再重新啟動進行觀測。

 

原始論文:GW170814 : A three-detector observation of gravitational waves from a binary black hole coalescence accepted in Physical Review Letters, (2017)

GW170814相關資訊 

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  1. LIGO News Release 2017/09/27:  Gravitational waves from a binary black hole merger observed by LIGO and Virgo
  2. Physics World 2017/09/27: Virgo bags its first gravitational waves

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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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