原铁杆天文爱好者,曾任南大天文爱好者协会会长。坚守着“道天制志天道,学文言研文学”的座右铭,终于走上了天文研究这条“不归路”。德国马克斯-普朗克引力物理研究所、清华大学博士后,研究引力波。 点击文末“阅读原文”可回顾作者引力波系列文章:引力波,一个世纪的求索(一)。 引力波探测:于无声处听惊雷
别想歪了,我们这里说的不是言情故事,而是宇宙空间中真实存在的物理场景——两个致密的天体,比如中子星或者黑洞,在绕转过程中不断释放引力波辐射并带走动能,直至双星系统并合的过程。
天体通过引力波释放的能量往往是惊人的。幸运的是,它几乎不和物质相互作用,这就意味着来自核心区域的信息可以畅通无阻地冲出来,传播到遥远的宇宙空间去。不幸的则是,它几乎不和物质相互作用,也意味着哪怕引力波携带着巨大的能量从探测器经过,也很难留下任何蛛丝马迹。 距离爱因斯坦第一次预言引力波的存在已经过去100年了,我们不妨回顾一下,脑洞大开的科学家如何于无声处听惊雷,寻找微弱的引力波信号后对应的剧烈物理过程。
简单来说,一束激光在经过一个半透镜后朝向两个互相垂直的方向前进,通过反射镜反射回来并重新汇聚。汇聚后的激光由于干涉而相互抵消,然而一旦引力波经过,改变反射镜与半透镜的距离,干涉现象就会改变,从而测量到引力波。当然,纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。通常激光的波长是微米量级,而要测量的引力波通常却是微米的万亿分之一,真正实现用激光干涉测量引力波谈何容易! 正所谓有意栽花花不开,无心插柳柳成荫。美国加州理工的著名引力学家基普·索恩(还记得两年前的《星际穿越》吗?他是科学顾问兼制片人)关注到了这个新方法。在深思熟虑之后,他发现加上合理的改进,这一方法可以达到比共振探测器高得多的灵敏度。于是,在上世纪 90 年代,由加州理工和麻省理工合作主导的两个激光干涉引力波观测台(LIGO)正式开工建设。在升级了许多新技术以后,更新的高新激光干涉引力波天文台(aLIGO)于去年正式投入运行。两个LIGO探测器,都成巨大的L形,每一边都有4千米长。
就好像声波分成低频的次声波、人耳可以听到的普通频率和高频的超声波,引力波也有频率之分。受限于地球上的诸多噪声,LIGO 可以探测高频的信号,比如双致密天体并合,但是对于频率低于 10 赫兹的引力波爱莫能助。相应的,就有人提出将激光干涉的方法搬到天上去。远离了地球,增加了干涉臂的长度,位于空间的太空激光干涉仪(LISA)的想法随之应运而生。这种低频引力波信号可能来自银河系内的双白矮星的绕转,或者中等质量黑洞的并合。
除了激光干涉以外,脑洞大开的天文学家还把目光投向了脉冲星。脉冲星的精确计时让瑞士钟表相形见绌,而引力波通过地球和脉冲星之间时,会影响脉冲信号的计时信号。通过测量多个脉冲星的计时数据,天文学家可以等效于把整个银河系当成一个巨大的引力波探测器,当然,所探测的信号频率就要低得多,它能探测到的引力波波长甚至可以达到光年的尺度。在星系的形成过程中两个星系相互并合,而核心的超大质量黑洞也会随之联姻,脉冲星计时所测量的就是这种超大质量黑洞对的绕转了。
在科学探索的道路上,永远充满着荆棘。即使智慧如爱因斯坦也不免犯错,霍金在科学上的打赌更几乎逢赌必输。在整整一个世纪的探索引力波的道路上,科学家经历了许多波折,也由此更加谨慎。作为一个拥有近千名科学家的大型合作组织,LIGO科学合作组织对待自己的数据非常谨慎,有些人甚至认为太过谨慎了。由于引力波探测的独特性,一旦LIGO宣布引力波的探测结果,将没有任何办法检验这一论断,所以LIGO科学合作组织需要绞尽脑汁,以便将来一旦发现引力波信号时,可以对信号的真实性有足够的自信。 2010年,还没有升级的LIGO进行了第6次科学运行,同时,位于意大利的VIRGO进行了第2及第3次科学运行。在LIGO和VIRGO联合观测前,事先确定了一个由3个人组成的秘密小组,他们有可能会在数据中人为地注入信号,所有其他成员都无从知晓这一过程的具体信息,所以称之为盲注。 2010年9月16日,LIGO和VIRGO同时探测到一个信号,方向大概来自大犬座,所以代号为“大犬事件”。这一令人激动的信息立刻让LIGO科学合作组织沸腾了。经过大量的研究工作之后,科学家准备好了用以发表的论文和新闻稿。 |
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