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引力波打开了探测宇宙的一扇新窗户

2016-02-12  曰出东海...

等啊等,终于等到这一刻。就在刚才北京时间21123点半,美国国家科学基金会于华盛顿特区的国家媒体中心就激光干涉引力波观测站(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory; LIGO)对引力波的探测做了进展报告。


这个重大新闻就是“终于发现引力波了”,此次被探测到的引力波是源于两个黑洞的并合过程!为什么这么激动?要知道,人类已经盼望这一刻很久了!接下来就随微信菌来一起了解下这个重磅新闻吧~


1
引力波

1915年,爱因斯坦提出了广义相对论。广义相对论描述了时空弯曲如何受物质质量决定,物质的运动如何受时空弯曲影响。它革新了人类对时空本质的经验认识。尽管后续多次天文观测为它提供了有力的证明,科学家们还希望有更直接的证明——广义相对论预言的时空波动“引力波”能否直接被探测到呢?


引力波是广义相对论的一个理论预言:既然物质的质量会引起时空弯曲,那如果该物体还在加速运动呢?时空弯曲的程度就会发生变化,表现为以光速向外传播的时空涟漪。


2
如果引力波被探测到了,那么......

引力波将帮助探索物理上一些重大问题。如为黑洞的存在与否提供更直接的证据(尽管科研团体中已对黑洞的存在非常确定,证明黑洞存在的证据多是黑洞对周围物质所带来的影响,而不是黑洞本身。引力波的发现,尤其是源于双黑洞并合所产生的引力波的发现,将是对黑洞真实存在的一个强有力证据),回答广义相对论是否正确描述了引力?双黑洞碰撞前后以及碰撞瞬间发生了什么?超新星爆炸的具体细节是什么?超新星爆炸后,中子星和黑洞是如何形成的?


引力波为探索宇宙打开了一扇新的窗户,势必会带来更多的科学新发现。过去所做的大部分天文学研究是基于不同形式的电磁波,但电磁波容易被介于目标天体和观测者之间的物质散射或吸收等。如果观测手段是引力波,因为宇宙相对于它们近乎透明,影响微弱,人们将可能观测到在其它方式下被阻挡的天体,以及并没有产生电磁辐射的天体现象。也许有一天,我们可以通过引力波追溯到宇宙的极早期。


正如发布会上所说,这还只是一个开始,未来基于引力波这扇窗户,我们会看到和听到更多。说不定未来真的可以用引力波来传递信号呢,这听起来有点像科幻作品出现的桥段。


技术推动新发现,反过来,探索新发现这样的应用需求也会驱动技术的发展。(更多细节请参见左文文博士为赛先生写的一篇文章《待引力波波动了天琴的弦》)


3
发现引力波的眼睛之LIGO

探测引力波的比赛自20世纪60年代就已开始。在此次LIGO成功探测到引力波之前,科学家所获得的证据是间接的。例如借助脉冲星来间接探测引力波的存在。


1962年,开始有科学家提出利用激光干涉方法来探测引力波。如果一个物体受到引力波的影响,那么它将会一个方向上被压缩,另一个垂直的方向上被拉伸。目前最先生的引力波地面探测器均呈L型,利用激光干涉技术,通过研究激光束的干涉条纹,来探索两臂相对长度是否受引力波影响而变化。


以此次立功的LIGO为例,它有两个L型激光干涉仪,分别在华盛顿的汉福德和路易斯安那的利文斯顿,两者相距3002千米。对于其中的一个L型探测器,两臂长度均为4千米,一束激光被分光镜分为互相垂直的两束。由于在交叉处和每一条臂的末端都垂放着反射镜,因此每束激光都分别在一系列反射镜上来回反射很多次,最终回到交叉处发生干涉。如果两臂长度保持不变,那么将最终干涉相消,即最终在输出上看不到干涉信号。但是如果由于引力波轻微地拉伸一条臂,压缩另一条臂,相互干涉的两束激光束就不再能干涉相消,干涉结果将显示出来。输出的信号中就蕴含了两臂的相对长度变化,进而告诉我们引力波的消息,LIGO探测器主要测量的就是这种由于两臂相对长度变化带来的干涉信号。



为什么是L型,上段已经交代了。为什么不是1个,而是2个呢?因为单靠一个探测器是无法确定引力波源的位置,因为单个探测器在单次观测时接收的信号来自于一大片天区,而不是定向的某位置。如果有2个以上的探测器,就可以根据接收到信号的时间差来帮助确定引力波源的位置。除此之外,多个探测器也可以帮助排除一些局域的干扰信号。


4
打开了一扇新窗户

根据发布内容,我们终于知道了从去年9月份就开始频出的传言“探测到了引力波”的真实情况。


在2015年9月14日17点50分45秒(注意:2015年9月18日是升级后的LIGO重新开工的日子,也就是说其实在Advanced LIGO开工前就已经有消息了,但LIGO官方非常谨慎,确认再确认),LIGO的两个探测器观测到了一次置信度为5.1倍标准差的引力波事件:GW150914。

引力波源是两个已经并合的黑洞,基于对信号波形的分析,可以推知并合前质量分别是36倍和29倍太阳质量,并合之后质量为62倍太阳质量,减少的3倍太阳质量(能量)以引力波方式被辐射出去。这表明了人类首次直接探测到了引力波,直接看到了一次双黑洞并合。


LIGO的精度是1e-22次方量级,对于4000米的干涉臂来说,相当于可以检测出千分之一质子大小的距离变化。升级后的LIGO精度提高了10倍,相当于可以检测出万分之一质子大小的距离变化。尽管传递到地球的引力波信号很微弱,但鉴于LIGO的高精度,其被探测到的置信度是5.1倍标准差,表明了这是一次真实的引力波事件。


从信号的幅度可推知,引力波源大约在南天的麦哲伦云方向的13亿光年之外。但具体位置还不能精确定出,这刚好表明“这还只是个开始”,未来有了更多引力波激光探测器的加入,有了电磁波望远镜的跟进观测,科学家们一定能精确定出它的家。


“一扇窗户的打开,往往会带来惊喜。”相信引力波的发现所打开的窗户,会带来更多的惊喜。


如今,一个巨大的发现离不开国际合作。就拿“LIGO发现引力波”来说,这是16个国家、1000个科学家25年来的辛勤成果。回想40多年前,虽然理论上有引力波,但在观测上能否被探测到、几率如何、试验设备精度如何都还是未知数,有人愿意使出浑身解数说服、筹钱、参与和付出,该是多么富有热情和英雄气概;而作为资金赞助方的基金机构,也得有一定的魄力和视野吧,能看到该领域的潜力,愿意承担风险,坚持长达几十年地支持该项目。当然,这其中的苦乐只有参与者才是最真切体会的。


未来,国际上将会有更多的类似观测设备与LIGO展开合作,就好像LIGO的两个探测器一样彼此验证信号的真实性,并帮助确定引力波源的真实位置。同类的地面引力波探测器还有意大利、法国合作的VIRGO,德国的GEO和日本的TAMA等。


爱因斯坦的传奇在其广义相对论百年之际得以继续辉煌,而我们也真的很有幸见证着这一刻。

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