全新天文时代开启,为何人类要寻找引力波?

澎湃新闻记者 徐明徽

2016-02-12 09:36 来源:澎湃新闻

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美国国家科学基金宣布发现引力波现场。
100年前,预测引力波的爱因斯坦或许都无法想象人类可以直接观测到引力波。引力波探测的成功,为人类观察宇宙提供了一个崭新的窗口。它将帮助我们验证1916年爱因斯坦提出的广义相对论,这意味着时空是可以扭曲的。而找到引力波就意味着打开了全新的宇宙观察视野。天文学在21世纪将进入引力波天文学时代。
困扰世界的百年物理谜题终于解开,这是一个将被历史铭记的时刻。北京时间2月11日23∶30分美国国家自然科学基金会携加州理工、麻省理工和LIGO科学合作组织(LSC)的专家向全世界宣布:美国的LIGO(激光干涉引力波观测站)首次直接探测到了引力波。
相关论文,以《合并双黑洞系统引力波辐射的观测》(Observation of Gravitaiton Waves from a Binary Black Hole Merger)为题,在《物理评论通讯》(Physical Review Letters)上发表。
2015年9月14日协调世界时09∶50∶45,LIGO的引力波探测器同时探测到一个短暂的引力波信号。根据爱因斯坦的广义相对论,这个信号来自双黑洞系统的合并。该双黑洞系统距离地球大约13亿光年。两个黑洞的质量分别是36个太阳质量和29个太阳质量,其中引力波辐射损失的质量大约为3个太阳质量。
简而言之就是,3个太阳的质量,变成能量被引力波带走了,传播速度跟光速一致。这是人类第一次探测到引力波,也是人类第一次探测到双黑洞合并。
100年前,爱因斯坦预测引力波时恐怕都不曾想到人类能够真正观测到引力波。毫无疑问,这是一项世纪发现,证实了爱因斯坦引力理论的最后一项预言。引力波从此由理论上的存在变成事实上的存在。
这个发现开启了物理学的引力波时代,而这仅仅是人类探测引力波的开端,下一步还将期待双中子星、黑洞中子星碰撞的发现,天文学在21世纪将进入引力波天文学时代。
引力波是什么?
引力波示意图。
引力波就像时空结构中的涟漪,如果把空间想象成一块巨大的橡胶膜,那些有质量的物体就会让橡胶膜弯曲,就像我们站在蹦床上时引起床垫变形一样。质量越大,空间被弯曲得越厉害。
比如地球围绕太阳转动的原因就是因为太阳非常重,导致太阳周围空间出现巨大变形,如果试图在巨大的变形周围以直线运动,你会发现其实是在沿着一个圆运动,这就是轨道运转。并没有实际的力拉着行星运转,仅仅是因为空间的弯曲。
只要有质量的物体加速,改变了空间形状,引力波就产生了,你可以想象湖面的涟漪。当高密度、大质量的物体在宇宙里加速——比如黑洞或者中子星——它们会在时空的垫子上泛起涟漪。这些波纹携带着大质量物体的引力辐射,在广阔的宇宙中传播。激光干涉引力波观测站的存在就是为了捕捉这种微弱的波动。
1915年,爱因斯坦发表广义相对论论文,革新了自牛顿以来的引力观和时空观,创造性地论证了引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲。1916年爱因斯坦在广义相对论的框架内,又发表论文论证了引力的作用以波动的形式传播。
为什么我们要寻找引力波?
两个正在旋转合并的黑洞模拟图。
最直接的答案是,它将帮助我们验证1916年爱因斯坦提出的广义相对论,这意味着时空是可以扭曲的。
广义相对论中预言的引力波也可以产生于宇宙大爆炸中,这就是说大爆炸之初的引力波在137亿年后的今天仍然可以探测到。一旦我们发现了宇宙大爆炸时期的引力波,就可以揭开宇宙的各种谜团,甚至了解整个宇宙的起源和运行机制。
在宇宙中,强引力场天体非常之多,比如超大质量黑洞合并,脉冲星自转、超新星爆发等都是引力波的强有力来源。找到引力波就意味着打开了全新的宇宙观察视野:可以为我们展示引力的最强状态,比如黑洞;能够让我们看到物质密度最大时的样子,比如中子星;还能揭示出星系大爆炸的新信息,比如超新星爆发,黑洞和中子星的融合。
如何探测引力波?
位于华盛顿州汉福德的干涉仪。
引力波无法通过电磁辐射直接观测,其与宇宙中物质的相互作用是极为微弱,故而爱因斯坦都认为引力波在任何能想象的情况下都可以忽略。
1990年代初,美国物理学家Rainer·Weiss领导的LIGO项目得到了美国国家科学基金的资助,在美国的华盛顿州和路易斯安那州分别建造一个干涉仪,呈现L形排列,利用迈克耳逊干涉仪原理进行测量引力波。
L形测量臂很长,达到4公里,两个测量臂垂直排列,两端各有反射镜面。科学家认为激光在测量反射臂上来回反射,如果干涉条纹发生了变化,就说明探测到了引力波事件。2005年之后,激光干涉引力波天文台再次进行了升级,使用更高功率的激光器和避震措施,降低误差。
论文表明此次激光干涉引力波观测站的两个干涉仪探测结果一致,引力波传播速度为光速,来自于两个黑洞的融合。这次探测信号强度很高,达到5.1西格玛(超过5西格玛信号定义为比较确定的发现),黑洞质量分别为36和29个太阳质量,合并后为62个太阳质量。他们甚至探测到了并合以后的振铃 (ring-down) 信号,它最终变成了一个克尔黑洞 (Kerr)。
位于路易斯安那州的干涉仪。
在两个黑洞相互接近绕转的过程中,根据广义相对论的数学物理推导,这是一个随时间变化的四极矩,因此会不断朝外辐射引力波,而引力波的辐射会把两个黑洞之间的引力势能降低,所以两个黑洞的距离会变小。随着两个黑洞的距离变小,它们之间相互绕转的频率会变得更快,最终两个黑洞碰撞并合在了一起,这一过程会放出大量的引力波能量。
这一辐射的能量有多大,通过爱因斯坦的著名质能方程E=MC²计算可知,这相当于数以亿亿亿亿计的原子弹同时爆炸,其威力相当惊人,整个空间都在颤动。这一颤动也在13亿年后传到了地球——这就是目前LIGO探测到的引力波。
在这个让物理学家50年来望眼欲穿的、持续时间不到一秒钟的事件中,4对在真空中相距4公里的40千克的玻璃镜子的距离,以原子核尺寸千分之一大小的振幅振动了十几次。这样微乎其微的振动,被打在这些镜子上的100千瓦的激光读出,让人类第一次“近距离的接触”了黑洞,观察到了黑洞附近时间和空间的高度扭曲和脉动。
激光干涉引力波观测站两个干涉仪收到的引力波信号数据波形。
引力波探测的成功,为人类观察宇宙提供了一个崭新的窗口。可以预计,未来更多的双黑洞时间,会让我们更清晰地了解黑洞附近的时空几何,更令人期待的是,一些未知源的引力波也可能被探测到。
探索
我是LIGO科学合作组织成员,关于参与引力波观测的体验,问我吧!
胡一鸣 2016-02-12 338 已关闭提问
探索
我是马普引力物理所的博士生,引力波如何被发现?发现引力波的意义何在?问我吧!
明镜 2016-02-12 305 已关闭提问
责任编辑:姬云涛澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 引力波,双黑洞合并

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