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多信使天文学约 6 分钟阅读

GW150914：两个黑洞并合的第一声，不是一张照片

2015 年 9 月 14 日 09:50:45 UTC，汉福德和利文斯顿同时记到 GW150914。发现论文给出的是源系质量 36 与 29 倍太阳质量、最终 62，辐射 3.0 倍太阳质量，都带 90% 区间；应变峰值 1.0×10⁻²¹，信噪比 24。它不是一次光学观测，也不是 GW170817。

GW150914LIGO引力波黑洞并合

2016 年 2 月 11 日，《物理评论快报》第 116 卷第 061102 篇刊出 LIGO 科学合作组与 Virgo 合作组的发现论文。对象不是望远镜里的一个光点。对象是 2015 年 9 月 14 日 09:50:45 UTC，汉福德与利文斯顿两台探测器同时记下的一段瞬态，后来编号 GW150914。论文摘要写明：信号频率从 35 赫兹扫到 250 赫兹，引力波应变的峰值是 1.0×10−211.0\times10^{-21}。波形符合广义相对论对两个黑洞旋近、并合以及最后那个黑洞铃宕的预言。匹配滤波信噪比是 24。误报率估计小于每 203000 年一次，相当于显著性大于 5.1σ。光度距离 410−180+160410^{+160}_{-180} 兆秒差距，红移 z=0.09−0.04+0.03z=0.09^{+0.03}_{-0.04}。源坐标系里，初始黑洞质量是 36−4+536^{+5}_{-4} 与 29−4+429^{+4}_{-4} 倍太阳质量，并合后 62−4+462^{+4}_{-4} 倍太阳质量，以引力波辐射出去的是 3.0−0.5+0.53.0^{+0.5}_{-0.5} 倍太阳质量的能量。

破除误解：区间不是点，引力波不是光

第一个误解，是把 36、29、62 和 3 写成没有误差的整数。摘要给出的是中位值加 90% 可信区间。36 的上沿可以到 41，下沿可以到 32。3.0 的上下各有 0.5。总览和对话若把能量写成「3 倍太阳质量」，那是把中心值单独抽出来。抽出来可以记住数量级。它不能代替区间。本页把加减号留在数旁边。

第二个误解，是把这次事件写成已经被光学望远镜看见，或写成 2017 年那次中子星并合。发现论文报告的是两台激光干涉仪上的应变。摘要没有电磁对应体。GW170817 是后来的双中子星，才和伽马射线、光学暂现源对上。多信使总览把 2015 年的首次引力波探测和 2017 年的联测分在同一句的前后。前后不是同一声。把中子星的光写进 2015 年 9 月 14 日，两件事都会丢。

第三个误解，是说一台探测器响了就够，或说显著性是某一次硬币的 5.1 个标准差而没有时间尺度。论文写的是两台同时观测。误报率用的是「小于每 203000 年一次」这种说法，再换成大于 5.1σ。换算依赖他们如何估计噪声偶然凑出同样响度的机会。大于 5.1σ 不是一句「绝对不可能是噪声」。它是这条估计下的显著性。估计写在摘要里，应当和信噪比 24 一起读。

第四个误解，是把峰值应变 1.0×10−211.0\times10^{-21} 读成臂长被拉长了一米，或读成仪器的噪声曲线本身。应变是长度的相对变化。LIGO 的臂长是千米量级，相对变化 10−2110^{-21} 对应的绝对位移远小于一个原子核的尺度。这个小数是信号的幅度，不是灵敏度曲线上的每一个频率都达到的噪声地板。灵敏度是另一篇仪器论文的题目。发现论文的对象是这一声扫过 35 到 250 赫兹的啁啾。

它证明什么，停在哪里

它证明：在所述时刻，两台探测器记到一段共同的扫频信号，信噪比 24，误报率低于每 203000 年一次。它证明发现论文把源解释为源系质量约 36 与 29 倍太阳质量的黑洞并合，最终约 62，辐射约 3.0，四项都带 90% 区间。它证明距离约 410 兆秒差距，红移约 0.09，同样带不对称误差。它没有提供电磁图像。它没有测量宇宙学常数。它没有把天空收成一个点。位置的收紧属于后续的参数论文，而且仍然是一大片天区。本页停在发现摘要已经公布的那些数。

跨域连接

  • 多信使天文学：总览用 2015 年标记引力波第一次被直接探测，用 2017 年标记和电磁波的联测。本页只展开 2015 年 9 月 14 日这一声的摘要数字。对读时不要把 GW170817 的光学暂现源写进 GW150914。
  • 引力波探测器：探测器页写臂、悬挂和应变灵敏度。本页写一次已经公布的事件。对读时，\(10^{-23}/\sqrt{\mathrm{Hz}}\) 是噪声的谱密度。\(1.0\times10^{-21}\) 是这一声的峰值应变。两个数的单位不同，不能相减。
  • 科温–莱因斯：1956 年用延迟符合确认反应堆反中微子。2015 年用两台干涉仪的符合确认一段扫频应变。两边都依赖「两处同时」来压低偶然。对读时不要把中微子截面写成黑洞质量，也不要把 24 的信噪比写成每小时计数。
  • COBE FIRAS：FIRAS 把微波背景的谱和黑体比较。GW150914 把应变和广义相对论的并合波形比较。两页都是「数据和一条曲线有多接近」。对读时不要把 2.7 开尔文写成距离 410 兆秒差距，也不要把啁啾写成微波谱线。
  • PSR B1913+16：脉冲双星用几十年的轨道衰减间接支持引力波辐射。GW150914 是一段不到一秒的扫频被直接记到。间接和直接回答的不是同一句「看见」。对读时不要把脉冲星的周期导数写成 35 到 250 赫兹的啁啾。

参考文献

  1. Abbott, B. P., et al. "Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger." Physical Review Letters 116 (2016): 061102. DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.061102.

正文中引用本条 · 1