GW 151226：又一次引力波事件
在两个多月之前的一次中微子天体物理会议上，来自宾夕法尼亚州立大学的Peter Mészáros教授透露称，aLIGO的第一阶段运行可能在GW 150914之外还发现了第二个引力波事件，而且看上去貌似是来自中子星并合的。更早些时候，小道消息也称aLIGO去年探测到了不止一次时空的涟漪。上周三，真相终于浮出了水面：这个现称GW 151226的信号确实存在，不过它的成因也是双黑洞系统的演化，并无中子星的参与。
形成GW 150914（左前）与GW 151226（右后）的双黑洞系统的示意图，按比例描绘了两对黑洞的质量（以视界大小来反映）。注意图中虽然描绘了二者，但这并不意味着两对黑洞在宇宙中确实彼此靠近。（图片提供：LIGO/A. Simonnet.）
GW 151226出现在2015年圣诞节翌日，12月26日世界时凌晨3时38分53秒。按照源自英国的传统，这天雇主要向员工馈赠圣诞礼物，所以该事件以“节礼日”为绰号；而对于aLIGO合作组的成员来说，这样的发现也不啻为去年圣诞前后收到的最佳大礼。与红极一时的GW 150914相比，产生节礼日事件的两个黑洞质量较小（分别相当于太阳的14.2倍与7.5倍，作为比较，前者来自两个质量36倍和29倍于太阳的黑洞并合），距离也略远（440百万秒差距，比前者远数十百万秒差距），因此相应的引力波信号信噪比只有13（前者达到了24），相关参数估计的误差也更大。但这两次释放的引力波光度倒差不多，都是每秒3×1056尔格左右，比典型的伽玛暴还要高好几个数量级，只可惜如此奇景在电磁波谱中全然不可见。后一次探测的置信度也是丝毫不逊于前，同样超过了5σ，不知这是否说明了经过几个月的运行，aLIGO的观测策略与噪声控制有所改进？抑或应该解释为黑洞质量不同导致的引力波频率差异对探测器性能的影响？
从形态上看，GW 151226的引力波信号振幅并没有GW 150914那样大，故而之前曾成功辨认出GW 150914的通用搜索方法一开始并没有将其鉴别出来。不过实时的模板滤波搜索以及事后的离线搜索都认为这是一个足够可信的事件，纯粹假信号的概率只有千年一遭而已。（可是GW 150914的伪探测几率差不多是20万年一遇，相较之下差距还是不小的……）
aLIGO的Hanford站（左）与Livingston站（右）对GW 151226的探测结果，上起依次为探测器应变演化图、累积信噪比演化图、信噪比演化图，以及波形的时间-频率图。与GW 150914不同，GW 151226的信号并没有那么明显，只在昭示黑洞并合的那一刹那才达到了较高的信噪比。（图片来源：Abbott et al. 2016b）
在时间演化方面，GW 151226的信号在大约1秒内，频率从35赫兹猛增至450赫兹，同时振幅一路飙升，期间双黑洞相互绕行55周。节礼日事件持续时间较长，覆盖了绕转的全过程以及并合期（GW 150914的信号持续了0.2秒，只涉及绕转后期和并合期间的最后10个轨道周期）而且由于参与并合的黑洞质量较小，它最终的引力波频率要比GW 150914的350赫兹高一些。此外与aLIGO的Hanford站较Livingston站晚6.9毫秒接收到GW 150914的信号不同，此番两站探测的时间差只有1毫秒左右，这意味着发生黑洞并合的天区当时恰好跨在美国的华盛顿州与路易斯安纳州之间，大致呈弧状分布，总面积约合850平方度。
下面这张图更好地说明了GW 151226理论上的应变信号，图中以方框给出了不同阶段的放大图：
图片来源：Abbott et al. 2016b
作为比较，aLIGO接收到的GW 150914应变模拟图如下，演化阶段其实只相当于上图最右侧放大框内展示的部分。因为GW 150914的参与黑洞质量都是太阳的数十倍，并合较为激烈，所以出现在并合前零点几秒内的晚期信号占据了绝对主导，以至于前面的部分很大程度上被忽略了。而GW 151226涉及黑洞质量偏小，并合强度较弱，绕转初期发出的引力波的累积信噪比并不亚于并合本身，再加上源自小黑洞的高频辐射更宜于aLIGO及早响应，反而让全过程浮出了水面。
图片来源：Abbott et al. 2016a
来自绕转早期的引力波带来了额外的福利。前身黑洞的自转能够影响最终的引力波波形，因此根据探测数据，至少一个黑洞的转速得到了约束：不小于理论最大允许值的20%。这是恒星级克尔黑洞研究的重要里程碑，今后倘或可以同时限制两个黑洞的自转速度与取向，更有望为其形成过程提供重要线索。不过坏消息是自转对波形的影响尽管存在但不很显著，再强的引力波信号也难以有效提供这方面的确切信息。比如此次虽然能够判定其中一个黑洞有着较明显的自转，它的自转轴是否存在进动却是不得而知。
GW 151226之后，照例有阵容强大的全波段仪器对误差框所在天区作了巡视。但与GW 150914疑云重重且基本已经被断定为不靠谱的费米GBM探测以及BOOTES望远镜的可能发现不同，到现在还没有哪个团队宣称找到了节礼日事件稍微能够让人信得过的电磁对应体。可疑目标倒是冒出来不少，只是基本上都能归类为超新星，跟双黑洞并合完全不搭界，其他源也在红移或别的指标上与aLIGO的估测不符，大抵可以排除与GW 151226成协的可行性。当然，后续小组说了，他们的目的不单是汇报零结果，更重要的是介绍搜寻策略——毕竟当前可用的引力波探测器数量有限，定位精度在未来很多年内都难免让人万分抓狂。如何充分利用视场有限的电磁波（尤其是光学）望远镜尽快扫视数百平方度的可能天区，这才是观测者所面临的严峻考验。
DECam在GW 151226的误差框范围内发现的一个变源，一开始认为它的光变类似kilonova，只是颜色较预期偏蓝，后来证明这是一颗早已由Pan-STARRS巡天计划发现的II-P型超新星。DECam在从事引力波对应体搜索期间幸运地捕获了它走出平台期，光度开始陡降的过程。（图片来源：Cowperthwaite et al. 2016）
这里要多扯几句闲话。就在aLIGO的负责人在圣迭戈召开的美国天文学会会议上将第二次发现公诸于众的当天，费米伽玛射线空间望远镜、暗物质照相机（DECam）、利物浦望远镜以及Pan-STARRS1等小组即争先恐后地亮出了自家的结果，另外一些人也随后跟进，怎一个迅速了得。鉴于疑似引力波事件（无论是真实发生的，还是出于测试目的盲注的伪信号）过后，探测器的合作者都会及时请求同行积极开展后续观测以尽可能查明引力波源的真身，严重怀疑这些论文早已写成，只待aLIGO发布会召开后一拥而上。恐怕这些后续团组正是之前各路小道消息的重要来源：知情人士越多，走漏风声的可能性也越大。只有一点，此等非官方爆料的可信度难辨，不妨听之，只要保持基本的怀疑就好。
要说GW 151226的天体物理学意义，除了它涵盖黑洞并合的完整过程，并初步展示了此类事件的多样性之外，还有蛮有趣的一点：前身系统的两个黑洞都拥有活跃X射线双星成员的典型质量，较小的那个黑洞的质量更有不小（约4%）的概率落在黑洞和中子星的过渡区（太阳质量的3-5倍）内。再有就是这些恒星级黑洞并合产生的随机引力波背景或许强于预期，但这只能称为一种说法，只凭借手头的两次确切的探测还难以最终下定论。况且这个事件对黑洞并合发生率或双黑洞系统形成的研究可能并无太多贡献，因为现有的模型都与之几无矛盾。
质量已知的恒星级黑洞一览表，可见与X射线双星（紫色）相比，aLIGO探测到的并合双黑洞（蓝色）质量都偏大。这很可能只是仪器的选择效应而没有反映真实情况，原因是只有最大的那些黑洞形成的引力波信号才能触发现有探测器。（图片提供：LIGO）
除了GW 151226与GW 150914，aLIGO声称还发现了第三个疑似事件——LVT 151012，照样源自双黑洞并合，不过置信度不太高，只有2σ不到，不好确认，可是这也称得上aLIGO第一次运行期内记录下的第三可靠信号了。先前有传言称aLIGO开机后不久就有了两次引力波探测，其中的第二次搞不好就是指LVT 151012。官网还提供了前述两次可信探测的音频文件供下载。这种声音虽说称不上中听，按照建议将其设置为手机铃声倒是geek风满满。由于一共涉及4个文件，这里不一一给出下载链接，前往官方报道页面，在最下方的Audio一栏选择所需即可。
GW 151226（蓝）、GW 150914（绿）与LVT 151012（红）的误差框所在天区，最外层的轮廓对应90%的置信度，最内层表示10%的置信度。（图片提供：aLIGO误差框：Leo Singer；银河系照片：Axel Mellinger）
今年1月19日，aLIGO结束了第一次运行，关机开始了进一步的改进，以图今秋再次启用后表现能更上层楼。同时意大利的VIRGO探测器会在今年晚些时候完成升级，日本的KAGRA在不久的将来即将落成，LIGO的印度站也要开始建设。当这些新一代探测器全部入役之后，引力波天文学时代才称得上真正到来。那时我们除了可以凭借更多信号敲定引力波事件率等重要参数，涉及中子星并伴以电磁辐射的新过程也有望走入人们的视野，全球范围内多架干涉仪携手联测更会让引力波源的定位精度不再成为后续研究者的困扰。而现在，一切还为时过早，不确定性仍旧很大。
写到这里，本人最大的疑问是：初次启动时灵敏度只较LIGO改善数倍的aLIGO在开始观测4个月内就看到了两个可信外加一个疑似的引力波事件，而且这两个可信事件的信噪比和置信度都还不低，那么会不会有一些类似的信号早已隐现在了早年LIGO的数据海洋中，只是当时置信度不达标，出于谨慎的考虑没有被公开？或者说这两次只不过是随机涨落而已，纯属aLIGO撞上了刮开彩票即连中头奖的天大好运？这前一个问题的答案怕是只有团组中的核心成员才有知晓的可能性；至于后一个，还是交给未来去回答好了。
