火线评论:引力波探测引爆了科学家朋友圈

2016-02-12  汉青的马甲


引力波音频。图片来源:LIGO新闻发布会直播截图



编者按:

激光干涉引力波天文台(LIGO)直接探测到引力波的新闻发布会,吸引了众多科学家守候,《知识分子》第一时间邀请了麻省理工学院物理系Pappalardo研究员苏萌、中山大学天文与空间科学研究院院长李淼等对引力波探测研究进行解读,同一时间,科学家们的朋友圈也因此炸开了。



文 | 李淼、苏萌、程曜、夏志宏


  


李淼:天文学将进入引力波时代



李淼,中山大学天文与空间科学研究院院长,主要研究方向为宇宙学、弦论、高能物理


根据发表在物理评论通讯(PRL)2016年2月11号一期上的论文,《合并双黑洞系统引力波辐射的观测》:2015年9月14号协调世界时09:50:45 ,LIGO的两个引力波探测器同时探测到一个短暂的引力波信号,相对强度为1.0 ×10-21  ,频率覆盖35到250赫兹。根据爱因斯坦的广义相对论,这个信号来自于双黑洞系统的合并。这个双黑洞系统距离地球大约为410兆秒差距,也就是大约13亿光年(亮度距离)。两个黑洞的质量分别大约是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。这个发现表明存在太阳质量级别的双黑洞系统,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。


以上基本上是这篇LIGO和Virgo合作论文摘要的翻译。根据论文,当时只有美国的LIGO探测到了引力波信号,而意大利的Virgo还在升级中。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。


这个发现开启了物理学的引力波时代,引力波将从此由理论上的存在变成事实上的存在。这个发现仅仅是人类探测引力波的开端,因为这个发现仅仅限于可能辐射引力波很多种源中的一种,即合并的双黑洞系统,且处于银河系外。


这个发现将极大促进其他引力波探测实验的发展。天文学在21世纪将进入引力波天文学时代。


  


苏萌:引力波发现将打开宇宙研究新篇章



苏萌,麻省理工学院物理系Pappalardo研究员,研究兴趣高能天体物理学与宇宙学,主要集中在宇宙微波背景辐射、暗物质探测与宇宙射线物理学


探测引力波难在哪里


我们知道任何相对论性的引力理论都预言了引力波的存在,同时通过对脉冲双星的观测我们已经间接的探测到了引力波,引力波的直接探测,尤其是极端天体物理过程产生的引力波,可以说随着探测手段的更新、探测器的升级换代必然会发生的。但是由于引力波信号极其微弱,一直以来都在不断挑战着探测技术的研发和数据分析模拟的能力。LIGO-Virgo合作组全面升级换代后的第二代Advanced LIGO,近千人的合作队伍,正是面临诸多困难下科学家们多年艰苦努力的写照。


四种探测引力波的手段


目前为止,探测引力波的主要手段有四种,分别针对不同天体物理与宇宙学起源的引力波信号。


首先当今的宇宙起源模型认为,宇宙大爆炸时会发生宇宙时空剧烈的暴胀过程(inflation),由于时空的剧烈扰动会产生一个引力波的背景信号,所谓的原初引力波信号。这种引力波的波长跟整个宇宙的尺度差不多大,所以只能通过对宇宙大爆炸后遗留的光子场的信号(所谓宇宙微波背景辐射)来寻找原初引力波的信号。前不久颇具影响的Bicep2实验正是通过这种方式探测到了原初引力波的迹象,本可以是实现首次引力波直接探测的实验,可惜后来更多数据和仪器的结果显示,虽然测量结果没有问题,可是探测到的却是我们银河系自身的信号,并不是来自于宇宙早期。现在有了更多的望远镜期待首次寻找到原初引力波信号,包括我国计划在西藏阿里天文台开展的首个北半球观测项目。


原初引力波是频率最低的引力波类型,其次是大质量黑洞并合时发出的引力波,对应的频率在百万分之一到亿分之一赫兹。这种事件往往发生在星系与星系相撞的后期。人们想出一个绝妙的方法去试图观测这种天体物理过程发出的引力波:利用校准后的毫秒脉冲星!毫秒脉冲星是自转极快的带强烈磁场的中子星,顾名思义,这种脉冲可以作为一个时钟——可以达到原子钟级别的精确的时钟,若干这样精确校准的毫秒脉冲星作为校准光源,利用地面上的大型地面射电望远镜作为探测器来观测大质量黑洞并合时发出的引力波。


频率提升到十万分之一到一赫兹,对应的信号来源更为丰富,比如质量更小一些的大质量黑洞冰河过程的后期,银河系内的白矮双星,甚至是在宇宙早期所谓“电弱”相变过程可能产生的宇宙学尺度引力波。探测的手段也是蛮拼的:空间卫星阵列!著名的LISA(光学干涉空间阵列)作为欧洲空间局批准的大型空间实验卫星项目,将为实现这个目标再努力二十年左右。首颗技术验证星去年年底刚刚上天,目前为止运行良好。我国中山大学领导的雄心勃勃的天琴计划是我国正在规划的空间探测引力波实验。


引力波的高频段是几十到几千赫兹,这就是这次LIGO-Virgo合作组宣布的首次引力波直接探测的频段,主要的信号源是中子星、恒星级黑洞等致密天体组成的双星系统。探测手段就是地面数公里的激光干涉装置。四种手段探测的引力波信号源不同,科学目标也不同。


引力波研究将打开研究宇宙新篇章


LIGO探测到引力波,将打开引力波研究宇宙的新篇章。未来的科学发展方向大致有三方面:

1,利用发出引力波的天体物理源研究宇宙学;

2,通过引力波直接探测研究黑洞并合成长的过程;

3,研究宇宙早期的极端物理过程,帮助我们了解宇宙的起源、演化中的基础物理学原理。


  


程曜:不会很快给诺奖   



程曜,清华大学工程物理系教授,研究方向为物理/纳米元件与引力波探测


今天热闹非凡,总算公布量到引力波了。我对这件事给点评论吧!量到的强度


10-21,比灵敏度高,以前的运转应该可以量到,只是运气不好,信号当然也不如这次清楚。PRL论文最后做了展望,不敢确定将来可以给出波源的方向,而寄望于未来更多的探测器加入。合并事件残留的黑洞不算大,不容易观测到。所以这次的测量属于我们预测应该量到这样的信号,然后真的出现了,我们也没有能力做事后检验。我大胆预言,不会很快给诺奖,要等其它探测器加入,重复观察到很多次后,起码要五年的时间。



  


夏志宏:这是数学的胜利


夏志宏, 美国西北大学教授、数学家,研究方向哈密尔顿动力系统、天体力学


人类居然可以在时空中检测只有质子万分之一大小的移动,令人惊奇!这应该是数学的胜利。爱因斯坦提了个漂亮的数学模型,没想到上帝还真用了。爱因斯坦说,如果上帝不用他的模型,那就太可惜了。


(责任编辑 陈晓雪)


出品 | 科普中国

制作 | 知识分子

监制 | 中国科学院计算机网络信息中心




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