倾听宇宙的声音:引力波时代,谁将撼动时空?

2016-02-12  fgost

2月11日23点30分,物理学家宣布人类首次直接探测到引力波!引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动。什么是引力波?什么是LIGO?这个发现到底有多重要?谁将撼动时空?


美国当地时间2月11日上午10点30分(北京时间2月11日23点30分),美国国家科学基金会(NSF)召集了来自加州理工学院、麻省理工学院以及LIGO科学合作组织的科学家在华盛顿特区国家媒体中心宣布:人类首次直接探测到了引力波!


科学家为直接探测到引力波的消息欢呼(从左到右分别为:Gabriela Gonzalez, Rainer Weiss和Kip Thorne)



激动人心的发布会其重点内容可以被简单归纳为三点:


(1)引力波终于被探测到了。


(2)引力波产生于两个恒星量级黑洞的合并(merger)。


(3)引力波是美国的激光干涉引力波天文台(英文简称LIGO)发现的。

这次探测到的引力波是由13亿光年之外的两颗黑洞在合并的最后阶段产生的。两颗黑洞的初始质量分别为29颗太阳和36颗太阳,合并成了一颗62倍太阳质量高速旋转的黑洞,亏损的质量以强大引力波的形式释放到宇宙空间,经过13亿年的漫长旅行,终于抵达了地球,被美国的“激光干涉引力波天文台”(LIGO)的两台孪生引力波探测器探测到。


两台探测器记录到的波形


探测到的引力波信号初始频率为35赫兹,接着迅速提升到了250赫兹,最后变得无序而消失,整个过程持续了仅四分之一秒。位于利文斯顿的探测器比位于汉福德的探测器早探测到7毫秒,这个时间差表明引力波是从南部天区传来。


什么是引力波?什么是LIGO?这个发现到底有多重要?这段视频通俗易懂的给你讲一遍,一定要看!



在物理学上,引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动,如同石头丢进水里产生的波纹一样,引力波被视为中的“时空涟漪”。通常引力波的产生非常困难,地球围绕太阳以每秒30千米的速度前进,发出的引力波功率仅为200瓦,还不如家用电饭煲功率大。宇宙中大质量天体的加速、碰撞和合并等事件才可以形成强大的引力波,但能产生这种较强引力波的波源距离地球都十分遥远,传播到地球时变得非常微弱。


根据广义相对论,该双星系统会以引力波的形式损失能量,轨道周期每年缩短76.5微秒


1974年物理学家约瑟夫·泰勒(Joseph Hooton Taylor, Jr)和拉塞尔·赫尔斯(Russell Alan Hulse)发现了一颗编号为PSR B1913+16的脉冲星,他们发现该脉冲星处于双星系统中,其伴星也是一颗中子星。根据广义相对论,该双星系统会以引力波的形式损失能量,轨道周期每年缩短76.5微秒,轨道半长轴每年减少3.5米,预计大约经过3亿年后发生合并。


自1974年,泰勒和赫尔斯和对这个双星系统的轨道进行了长时间的观测,观测值和广义相对论预言的数值符合得非常好,这间接证明了引力波的存在。泰勒和赫尔斯也因这项工作于1993年荣获诺贝尔物理学奖。


共振型引力波探测器


韦伯教授在调试他的引力波探测器(1965年)


上世纪60年代,马里兰大学的物理学家韦伯(Joseph Weber)首先提出了一种共振型引力波探测器。该探测器由多层铝筒构成,直径1米,长2米,质量约1000千克,用细丝悬挂起来。当引力波经过圆柱时,圆柱会发生共振,进而可以通过安装在圆柱周围的压电传感器检测到。韦伯曾经在相距1000千米的两个地方同时放置了相同的探测器,只有两个探测器同时检测到相同的信号才被记录下来。1968年,韦伯宣称他探测到了引力波,立刻引起了学界的轰动,但是后来的重复实验都一无所获。


激光干涉引力波探测器

两台孪生引力波探测器分别在华盛顿州的汉福德(左)和路易斯安那州的列文斯顿,彼此相距3000公里


上世纪70年代,加州理工学院的物理学家莱纳·魏斯(Rainer Weiss)等人意识到用激光干涉方法探测引力波的可能性。引力波的探测对仪器的灵敏度要求非常高,要能够在1000米的距离上感知10^-18米的变化,相当于质子直径的千分之一。直到上世纪90年代,如此高灵敏度所需的技术条件才逐渐趋于成熟。


1991年,麻省理工学院与加州理工学院在美国国家科学基金会(NSF)的资助下,开始联合建设“激光干涉引力波天文台”(LIGO)。LIGO的主要部分是两个互相垂直的干涉臂,臂长均为4000米。在两臂交会处,从激光光源发出的光束被一分为二,分别进入互相垂直并保持超真空状态的两空心圆柱体内,然后被终端的镜面反射回原出发点,并在那里发生干涉。若有引力波通过,便会引起时空变形,一臂的长度会略为变长而另一臂的长度则略为缩短,这样就会造成光程差发生变化,因此激光干涉条纹就会发生相应的变化。


两台孪生引力波探测器分别在华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的列文斯顿,彼此相距3000千米。只有当两个探测器同时检测到相同的信号才有可能是引力波。LIGO于1999年初步建成,2002年开始运行。


2007年,LIGO进行了一次升级改造,包括采用更高功率的激光器、进一步减少振动等。升级后的LIGO被称为“增强LIGO”。2009年7月,增强LIGO开始运行直到2010年10月结束。


在2002年到2010年期间,LIGO没能探测到引力波存在的可靠证据。

位于汉福德地区的LIGO观测站的北臂


2010年,LIGO进行了为期五年的重大升级改造,改造之后的探测器灵敏度要求提高10倍,被称为“先进LIGO”。2015年9月18日,先进LIGO开始试运行。据悉,本次探测到的引力波是升级前的LIGO于2015年9月14日探测到的信号。


目前主流的引力波探测器都是这种基于迈克耳孙干涉仪的原理。世界范围内,除了美国的LIGO引力波探测器之外,还有德国和英国合作的GEO600、法国和意大利合作的VIRGO、日本的TAMA300以及计划中的LCGT、澳大利亚计划中的AIGO以及印度计划中的LIGO-India。

PTA、LISA(eLISA)与LIGO(aLIGO)三种方式分别探测不同频率的引力波,构成互补关系。


地基探测器探测引力波的频率范围是1赫兹~10^4赫兹。除了地基引力波探测器之外,科学家也在积极筹备“激光干涉太空引力波天线”(LISA/ eLISA)。理论上,eLISA探测引力波频率范围为10^-5赫兹~1赫兹。


值得一提的是,科学家也在利用一种叫“脉冲星计时阵列”(PTA)的射电天文方法探测更低频率(纳赫兹)的引力波。PTA与eLISA、LIGO在探测频率上形成互补关系。


引力波探测的意义?


引力波天文学将是继传统电磁波天文学、宇宙线天文学和中微子天文学之后,人类认识宇宙的全新窗口,必将引发一场天文学的革命。


引力波探测除了能够检验广义相对论之外,还有助于证明其它版本的引力理论正确与否,还将推动引力量子化的研究,最终把引力融入其它三种基本相互作用,完成爱因斯坦的伟大梦想。


引力波像其它的波一样,携带着能量和信息。电磁波(宇宙背景微波辐射)只能让我们看到大爆炸38万年之后的景象,而引力波能够让我们回望宇宙大爆炸最初瞬间,检验宇宙大爆炸理论的正确与否。


在过去的近10年时间里,尽管圈子非常小,但一个全新的天文学领域的确正逐渐出现,那就是引力波天文学。和传统天文学使用天文望远镜对宇宙进行观测不同,引力波探测器使用的是激光和反射器,研究人员会让激光在两块呈直角方位的反射镜之间来回,并观察两束光波叠加时所呈现的干涉条纹特征。这正是位于美国的“激光干涉引力波天文台”(LIGO)所采用的做法。在2002年至2010年之间的运行时期,LIGO设施验证了其设计概念的可行性,随后经历了长达5年的关闭升级。直到2015年9月份,升级后的该设施被重新启用并被称作“先进LIGO”。这次的重大发现意味着什么?



一个脉冲星双星系统及其产生的时空涟漪(引力波)示意图



LIGO设施工作原理图


时空中的涟漪


当爱因斯坦最早提出他的广义相对论的时候,他彻底革新了我们原先对于时间与空间的概念理解。我们此前一直认为空间是恒定而不变的,物质和能量存 在于其中。但 爱因斯坦的理论指出空间实际上与能量和质量之间都是相互联系的,并且随着时间推移空间也在发生变化。如果只存在一个质量物体,静止地存在于时空之中(或者 处于匀速运动状态),那么它所处的时空不会发生变化。但如果你加入第二个质量物体,那么这两个物体之间就会发生相互运动,互相会向对方施加一个加速度,在 这一过程中也就将造成时空结构的改变。更加重要的是,由于存在一个大质量粒子在引力场中运动,广义相对论指出这一大质量物体将会被加速,并释放一种特殊的辐射:引力辐射。


这种引力辐射与你所知的其他任何种类的辐射都不同。它会以光速穿越空间,但它本身又是空间中的涟漪。它从被加速的物体带走能量,这就意味着,如 果这两个质量 物体处于相互运行的轨道之中,那么随着时间推移这个轨道将会逐渐收缩,这两个质量物体之间的距离将逐渐缩短。不过不要太过担心,对于像地球围绕太阳运行这 样一个系统,相对而言这两个天体的质量还太小,而两者之间的距离又非常巨大,因此在引力波耗散能量的条件下,这个轨道也将需要经过10的150次方年才会衰减崩溃,如此长的时间早已远远超过了宇宙的年龄,事实上这也远远超过了已知所有恒星的寿命!然而对于相互绕转的黑洞或中子星而言,它们之间存在的轨道衰 减效应则已经被观测到了。


科学家们认为宇宙中可能还存在着我们尚未探测到的更高能的事件,如黑洞的相互合并。这类事件应该会产生某种特征信号,而这样的信号是可以被“先进LIGO”系统捕捉到的。


先进LIGO探测器


从本质上而言,“先进LIGO”系统采用的探测手法是相当简单而直接的,它利用了引力波辐射的本性和它最重要的性质之一。引力波会造成空间的拉伸或压缩,其频率和强度取决于形成这种引力 波的天文事件所具有的一系列特征,如两个相互绕转天体各自的质量大小、它们两者之间的间距以及这一系统距离地球的远近。



先进LIGO设施的引力波探测范围示意图


“先进LIGO”设施包括两条互相垂直的长臂,长度均为4公里。将一束激光用分光镜分成夹角为90度的两束,然后两束激光分别被4公 里外的反射镜反射回来并发生干涉,并且这样的反射可以来回进行多次,从而大大增加激光运行的路径长度。由于频率和波长完全一致,在正常情况下,这两束激光 应该是完全相同的,但是如果存在引力波作用,则会对这两束激光的波长频率产生影响,从而导致两束激光在叠加的干涉条纹上出现改变。这样的改变将能够让科学 家们判断两个绕转天体各自的质量大小、它们之间的间距以及这玩意系统到地球之间的距离等丰富的信息。



先进LIGO设施升级过程中,工程师正在工作


先进LIGO包括两处设施,分别位于美国西北部(华盛顿州)以及美国东南部(路易斯安那州)。如果这两处设施均观测到同样的信号,那么我们几乎 就能够肯定我们的确是观测到了引力波信号了。目前版本的LIGO系统对于质量在1倍太阳质量到数百倍太阳之间之间的两个黑洞合并过程可能产生的引力波信号最为敏感,且其探测能力可以覆盖距离地球数百万光年之外——在这样一个巨大的空间范围内,符合条件的黑洞合并事件每年都会至少发生几次。


意义重大的引力波


这项发现将是对爱因斯坦广义相对论的又一次证明,后者在将近100年前便预言了引力波的存在。但引力波被首次直接探测到的意义还远不仅于此,它还有着更加重大的意义。作为时空本身的震动,引力波常常会被人和声波进行对比。事实上,引力波望远镜能够让科学家们在光学望远镜“看到”某个现象的同时“听到”它的“声音”。


有趣的是,当LIGO项目在上世纪90年代早期寻求美国政府的资金支持时,它在国会面对的最大反对者竟然是天文学家们。美国佛罗里达大学广义相对论专家,LIGO项目的早期支持者克里福德·威尔(Clifford Will)指出了出现这种情况的原因:“当时普遍的观点是认为LIGO这个项目与天文学之间似乎关系不大。”而反观今天的情况,人们对此的观点已经完全变化了。


天外飘来引力波


对于“波”,我们并不陌生,生活中时常会听到无线电波、电磁波、声波、光波等等,引力波也是波的一种。


既然称之为引力波,它必然与引力有关。所以,在更深一步了解引力波之前,我们需要了解一下人类对于引力的认识过程。17世纪末的物理学家牛顿看到了下落的苹果,意识物体之间普遍存在的一种力,称之为“引力”,并且将其数学化,这就是我们熟知的万有引力。万有引力认识的精髓是物体质量的存在导致了引力,这在牛顿之后的两百多年里被认为是宇宙间的绝对真理。直到1905年狭义相对论发表,再到1915年广义相对论的发表,爱因斯坦提出了一种完全不同的对于引力的看法,引力是因为质量对于时空造成了变形所导致,而非质量之间的吸引。这就意味着,我们时空可被当做一种可以变形的介质来认识。所以引力波,简单来说,就是时空自身的波动。相比较我们熟知的无线电波(或者电磁波),它仅仅是在时空之中传播的,时空是它的媒介。


人们常说“星辰大海”,如果将时空视作海洋,那么天体就如同海洋生物一般。可以想象,如果大海中的某个生物摇了摇尾巴、或是晃了晃头,海水由此所产生的波动就会向外传播。与此类似,宇宙中某个天体的剧烈活动,会对所在的时空产生扰动,时空自身的波动也会向远处传播,如果足够强,就能够为地球上的我们所感知。


在引力的世界中,我们的宇宙通常是平静的。可是在北京时间2015年9月14日17点50分45秒,地球上的LIGO探测器却探测到了来自于宇宙深处距离地球13亿光年之外的一场引力风暴,来自于一个双黑洞系统的合并,以它的探测日期命名为 GW150914。


(图2注:LIGO的两个观测站探测到了同一个引力波事件。上面为观测得到的曲线,下面是和理论相比较之后的拟合结果。(来源于LIGO所发文章))


两个黑洞的“火并”


此次发布会的另外一个亮点就是双黑洞。这也是人们首次直接发现双黑洞,这两个黑洞的质量分别为26和39太阳质量,属于恒星级黑洞。或许你已经听腻了黑洞,生活中时不时的会听到某某黑洞爆发了,某某黑洞吞吃恒星了等等。但是这此发现却有些不同,两个天体都是黑洞,互相绕转,最后合并。这听起来像是一场黑吃黑的火拼,甚至有点儿像港片里熟悉的火爆场面。黑洞合并产生了非常强烈的时空振荡,所以我们遥远的地球才观测到了。


黑洞通常认为是大质量(超过25个太阳质量,请注意这是前身星的质量)的恒星在其演化的最终阶段,恒星中心会形成我们了解的恒星级黑洞。它们的质量通常预计在3个太阳质量到100个太阳质量之间。因为黑洞本身没有任何的辐射(不考虑量子效应下的霍金辐射,它的电磁辐射也是异常微弱),所以我们不能直接看到黑洞。我们的银河系或者其他类似的星系当中当中,每个星系都预计存在着上千万个恒星级黑洞,但是绝大多数的黑洞都是孤独存在的天体,如同幽灵般,没有任何辐射或者辐射及其微弱,所以很难被看到。


所幸,有的黑洞处于双星系统当中,就像发布会中提及的系统,而且另外一个天体是正常的恒星(也称之为伴星)。在这种情形之下,黑洞会从正常恒星上吸积气体,在其周围产生一个吸积盘,以至于某些时候吸积气体的量过多,不能被黑洞直接吞掉,这时还会沿着黑洞的两个转轴将多余的气体抛射出去,从而产生非常壮观的喷流。正是因为吸积盘和喷流的存在,他们都能够产生我们非常熟知的电磁辐射(也就是有我们熟知的光子产生),从而我们利用传统的探测方式,比如地面或者太空的望远镜,就可以间接地探测黑洞的存在。


大约在50年前,人类就是利用此方法发现了了第一个黑洞候选体,天鹅座X-1 (Cygnus X-1)。在1974年,地球上两颗聪明的大脑、理论物理学家霍金和好朋友基普·索恩就这个候选体是不是黑洞而打了个赌,他们以一年的成人杂志《阁楼》作为赌注。后来的观测是利用天鹅座X-1中的伴星运动测得了黑洞质量,大约为15个太阳质量,从而霍金认输并且在两人的赌书上签名按上了自己的手印。基普·索恩从那时就赢了。


对于双黑洞系统,他们几乎不会产生能够为传统方式所观测到的光子。所以,即使它们存在,利用传统的观测方式,我们也不能发现他们。况且,很多的人都怀疑它的存在。但是,在双黑洞绕转,尤其是合并之时,会产生很强的引力波。只要引力波探测器足够灵敏,我们就可以发现它们的踪影。面对大家的怀疑,LIGO的发现用事实证明了它的存在。而此次发现引力波的天文台的创建人之一就是基普·索恩——索恩教授又一次赢了。


引力波为黑洞做名片


在观测到了完整的引力波形之后,利用一种叫做匹配滤波(waveform matching)的方法,理论上就可以推断出系统的性质信息,包括合并之前和之后。比如,对于双黑洞系统,可以推断出合并之前的黑洞质量,自旋和轨道,以及合并之后的质量和自旋。此次新闻发布会中所提及的引力波事件,就得到黑洞的质量在合并之前是26和39太阳质量,合并之后是62太阳质量(合并之前的两个黑洞自旋参数值限制的并不是很好),合并后黑洞是一个克尔黑洞,其自旋参数值为0.67。


你或许会有疑问,合并之后怎么少了3个太阳质量,它跑到什么地方去了?引力波也是携带能量的,在黑洞合并之时,它的形状非常不对称,不是我们看到的单个黑洞的球形,所以在振荡恢复的过程当中,一部分质量就通过引力波的方式辐射出去,从而为我们所接收。合并的时间非常之短,仅仅在大约0.05秒的时间,就将3个太阳质量(大约6.0E30公斤)的能量就通过引力波的方式释放出去,也就是说在一秒钟可以释放出大约10^32公斤的能量。相比较之下,我们的整个宇宙包含了大约1.0E22个太阳,而每个太阳每秒钟向外辐射大约4.0E9公斤的物质能量,所以黑洞合并的最后释放出比整个宇宙每秒钟辐射出的电磁总能量还要高出3倍。


(图3注:双黑洞系统在不同阶段所产生波形随时间演化图。双黑洞系统的演化包括三个阶段:旋近(inspiral), 合并(merger)和铃振(ring down)阶段。(来源于LIGO所发文章))


我们注意到,合并前黑洞的质量为26和39太阳质量——这两个质量都比目前已知的恒星级黑洞要重许多。我们现在已经确认了大约20多个恒星级黑洞,最重的恒星级黑洞位于M33 X-7系统中,为16个太阳质量。而其它所有确定的黑洞质量均比这个小,大多数是七八个太阳质量左右。尽管理论之前预言了更大质量的黑洞的存在,但是之前从来还没有发现过,所以此次发现更大质量黑洞,对于黑洞的形成渠道也有着重要影响。


我们所看到的所有恒星,都是处于旋转当中。所以对于那些由恒星塌缩而形成的黑洞而言,它们也是处在旋转之中。对于黑洞的旋转,天文学家用一个叫做“自旋参数”的量来表示,它在0和1之间变化——0代表了没有转动的黑洞(也叫“史瓦西黑洞”),而1代表了理论上黑洞所具有的转动最大值(也叫“极端克尔黑洞”)。对于此次观测中合并以后的黑洞,它的自旋参数为0.67。如果我们以转速来描述,它在以每秒钟100转的速率转动。相较而言,我们刚才提到的人类第一个黑洞“天鹅座X-1”, 它是一个极端克尔黑洞,差不多在以超过1000转每秒的速率转动。


如果你觉得转速依旧很难理解,那我们可以想象一下《星际穿越》电影的一个情节,主人公在卡刚都亚黑洞的行星上只呆了3个小时,但是后来却发现飞船上已经过了23年,时间相差了6万倍。要有这样巨大的时间差,其中条件就行星极度靠近黑洞的同时,黑洞也以最大速度转动。按照相对论理论所言,这样行星上的时间就会被极大的拉长。天鹅座黑洞的转速就具有类似于电影中卡刚都亚黑洞那样的转速。对于此次引力波探测到黑洞而言,即使有某个行星在其周围最靠近的稳定存在,那么对于它的时间也会流逝的很慢,不过不会有6万倍那么大的差别,最多也就2倍左右。


对于黑洞而言,有着非常著名的无毛定理,也就是说黑洞只需要简单的几个量就可以描述。对于宇宙当中的黑洞,只需要我们上面所说的质量和自旋参数就可以完整的描述。当我们知道了黑洞的质量和自旋参数一些性质时,我就可以很容易的对黑洞本身的全貌做出一个描绘,就如同给出了一个人的完整自画像。而引力波的方法可以快速给出黑洞的完整信息,这相比较传统的观测方式,更为有效,尽管在观测方面有些困难。



欢迎来到引力波天文学的世界!



两颗黑洞相互盘旋发出引力波示意图


一、黑洞真的存在吗?


正如外界所传言的那样,此次宣布的消息是有关两个黑洞合并过程中产生的引力波信号。这样的事件是宇宙中最高能的事件之一——这一过程中产生的引力波信号强度 甚至可以短暂超过整个可观测宇宙中所有恒星产生的引力波效应之和。与此同时,来自两个黑洞合并时所产生的引力波也是所有引力波类型中信号最清晰,最便于解译的类型之一。



示意图:两个黑洞的合并过程及其对于背景星光的扭曲形变效果


当两个黑洞以螺旋形轨道逐渐相互靠拢时,合并过程便开始了,在此期间会释放出引力波。这种引力波拥有特征性的信号,科学家可以利用这些特征信号解译出合并的 两个黑洞各自的质量大小。在那之后,实际上这两个原先独立的黑洞就融为一体了。法国巴黎高等学术研究所的引力理论学家迪尔巴特·达摩尔(Thibault Damour)指出:“这就有点像是你将两个肥皂泡泡靠得很近,以至于它们最终融合一体了。而在合并的初始阶段,较大的那个泡泡会发生扭曲变形。”黑洞合并的情况非常类似,而一旦合并过程完成之后,形成的单一黑洞将恢复为完美的球形。


探测到黑洞合并产生的引力波信号,其中的一项意义可能会出乎一部分人的意料,那就是证实黑洞的存在——至少由爱因斯坦广义相对论中所预言的那种纯粹、空旷的扭曲封闭的时空区域的确是存在的。这一信号的另外一层意义是可以让科学家们确认黑洞的合并过程的确是与先前的理论预测相吻合的。天文学家们手里已经掌握了 许多此类现象存在的证据,但到目前为止它们都来自对围绕黑洞周围存在的恒星以及高温气体行为的观测,也就是间接证据,而非来自黑洞本身的直接证据。


美国普林斯顿大学的广义相对论专家弗兰斯·普雷特瑞斯(Frans Pretorius)指出:“整个科学界,包括我本人,都已经对黑洞的话题感到厌倦,我们已经对此习以为常了。然而如果你想要宣布一项激动人心的预言,那么我们就需要看到非常扎实的证据。”


二、引力波是以光速传播的吗?


当科学家们将来自LIGO的观测结果与来自其他类型望远镜的观测数据进行对比时,他们检查的第一个项目往往就是查看这两个信号是否是在同一时间抵达的。物理学家们认为引力是由一种被 称作“引力子”的粒子负责传递的,它们就像构成光线的光子一样。而如果这些粒子也像光子那样不具有质量,那么引力波就将能够以光速传播,从而与广义相对论 中关于引力波应当能够以光速传播的预言相吻合。


然而另外一种可能性就是引力子可能具有极小的质量,如果情况是那样,这就意味着引力波的传播速度可能无法达到光速。如果的确如此,那么LIGO等设施将会发现来自遥远天文事件中产生的引力波信号抵达地球的时间要比工作在γ射线波段等“传统”望远镜的探测到信号的时间稍晚一些。如果这一情况出现,那就将构成对基础物理学理论的重大挑战。


三、时空是由“宇宙弦”组成的吗?


如果能够探测到来自所谓“宇宙弦”的引力波信号,那么则会出现更加诡异的情况。所谓“宇宙弦”是一种假想中存在的宇宙时空弯曲中的缺陷,它可能与弦论有关,也可能无关。这种“宇宙弦”无限薄,但长度却能拉长到宇宙尺度。研究人员认为,这种宇宙弦如果的确存在,可能会产生一些扭结;而如果其中的一根弦断裂,则 会产生一阵引力波涟漪,这样的信号应该是可以被LIGO这样的设施监测到的。


四、中子星是完美的球体吗?


中子星是大质量恒星死亡之后留下的残骸,它们的密度极高,以至于将组成它们自己的原子中的电子压入了原子核,并与其中的质子中和形成了中子。科学家们对于中 子星环境下的极端物理了解甚少,而引力波将能够为我们提供这方面的全新信息。举例来说,中子星的超强引力场理论上会使整个中子星星体成为完美的球体。但一些研究人员却认为在中子星上可能仍然会存在“山峰”——尽管高度可能只有几个毫米。但尽管如此不起眼,但严格来说,这些小“突起”的存在也的确让这样一类 直径一般仅有10公里左右的高密度天体的完美球体外观被打破了。通常情况下中子星的自转速度是非常快的,因此任何的微小凸起都将造成时空的扭曲并产生连续的引力波信号,这种引力辐射过程会带走一部分能量并造成中子星自转速度的逐渐下降。


相互绕转的两颗中子星也会产生连续的引力波信号。和黑洞一样,这两颗中子星会最终相互靠近并融合为一体。但这一过程和黑洞合并过程存在本质不同,普雷特瑞斯指出:“你面临大量不同的可能性,这取决于中子星的质量以及构成中子星的高密度物质能够施加的压力大小。”举例而言,两颗中子星合并后的结果可能是一个质量更大的中子星,但另外一种可能性是,这两者合并之后立即在巨大压力下塌缩,形成一个黑洞。


五、是什么引燃了恒星爆炸?


当一颗大质量恒星耗尽其自身内部燃料时,它将迎来死亡的时刻,在一次巨大的爆发之后形成黑洞或中子星。天体物理学家们认为这一过程正是形成II型超新星爆发的元凶。对于这类超新星爆发过程的模拟研究目前还未能明确给出是什么直接“点燃”了此类剧烈爆发的答案,但对于来自真实超新星爆发过程所产生引力波信号的倾听和分析将有望帮助我们最终找出这个问题的答案。根据这些引力波信号的波形特征、强度、频率以及引力波信号与电磁波信号抵达时间之间的相互关系,这些数据将帮助科学家们证实或排除现有的一些理论模型。




六、宇宙膨胀的速度有多快?

宇宙的膨胀意味着那些本身正在远离我们的遥远星系,它们的光谱红移值会大于真实数值,因为它们所发出的光线在抵达我们的路途中会由于空间本身的膨胀而被拉伸。宇宙学家们正是根据对遥远星系光谱红移值的观测,并将这一数值与这些星系的真实距离进行对比,从而反推出宇宙的膨胀速度的。而对于这些遥远星系的真实距离,则是根据这些星系内部出现的所谓Ia型超新星爆发亮度进行估算的。这种估算方法在天文学距离测量上被广泛使用,但必须承认这种方法同时也存在着很大的不确定性。


而如果全世界各地的多个引力波探测设施都检测到来自同一次中子星合并事件的引力波信号,那么将这些来自不同设施的观测数据结合起来,科学家们将有机会计算出这一信号的绝对强度,而这也将反过来让我们得以可靠地计算出这一中子星合并事件发生地与地球之间的距离有多远。同样的,我们还能够判断出信号发来的方向, 并据此进一步找到这一合并事件究竟发生在哪一个具体的星系内部。接下来,通过对这一星系红移值的观测,并将其与引力波信号得到的真实距离进行对比,我们将能够有机会在更高的精度上实现对宇宙膨胀速率的估算。


谁将撼动时空?


那么在我们的星辰大海中,什么样的天体才能够撼动我们的这个宇宙时空,让位于遥远地球上的LIGO探测到呢?现在通常认为有如下四种:


(1)旋进(In-spiral)或者合并的致密星双星系统。比如中子星或者黑洞的双星系统。非常类似于发布会当中的系统。


(2)快速旋转的致密天体。这类天体会通过周期性的引力波辐射损失掉角动量,它的信号的强度会随着非对称的程度增加而增加。可能的候选体包括非对称的中子星之类的。在《星际穿越》电影当中,教授说它发现了引力波,而它的其中一个产生机制很可能就是由一个快速转动的中子星,其表面大约2厘米的凸起所产生的(具体分析可以参阅由基普索恩撰写的星际穿越一书)。


(3)随机的引力波背景。非常类似于我们通常熟知的宇宙背景辐射,这一类背景引力波,也通常叫做原初引力波,它是早期宇宙暴涨的遗迹。2014年由加州理工、哈佛大学等几个大学的研究人员所组成的BICEP2团队曾宣称利用南极望远镜找到了原初引力波,但是后来证实为银河系尘埃影响的结果。原初引力波的探测将是对暴胀宇宙模型的直接验证,对于它的探测依旧在努力寻找之中。


(4)超新星或者伽马射线暴爆发。恒星爆发时非对称性动力学性质也会产生引力波。而直接探测到来自于这些天体的引力波,将是提供对这些天体最直接而且最内部的信息。


除过LIGO之外,还有意大利的VIRGO引力波探测器,日本的KAGRA探测器以及英国德国的联合GEO-HF探测器。相信在不远的未来,引力波的探测事例会如同春笋般爆发,越来越多。



为一窥宇宙初生

(注:全球引力波天文台分布(来源于LIGO网站)。)


毫无疑问引力波是对广义相对论的一个最直接的验证。另外它在弱场中已经得到验证,但是对已强引力之下的验证,之前却从来没有验证过。所以此次的观测,是对广义相对论的一个非常好的检验。


引力波以光速传播,它与物质的相互作用非常非常的弱,所以引力波可以给我们提供我们宇宙几乎无阻挡的图景,而这个几乎是无法利用我们熟知的电磁波来达到的。比如,利用引力波,我们可以看到宇宙的最早期,宇宙大爆炸之后的1.0E-36秒开始的宇宙形成过程,而对于电磁波而言,它最早只能看到大爆炸后的大约300,000之后的宇宙历史,在此之前,电磁波是不能给我们提供的。所以引力波是我们了解我们宇宙形成的最好工具。


如果还记得,在《星际穿越》电影中的结尾之时,主人公库珀身处一个5维时空的超体方体中,为了将从黑洞中心所提取出来的信息传递给身处4维时空的女儿墨菲,人为的制造引力波效应,成功将信息传递,从而人类得以解救。引力波从目前物理学家的认识来看,是唯一一种可以在不同维度传播的波。不同宇宙之间的碰撞,会产生引力波。说不定在不远的将来,我们也可以依靠引力波来判断多重宇宙的存在与否。


就如同一个天生的聋哑人,一直在听别人说声音的存在,突然有一天听力恢复了。我想我们此刻的心情也是差不多如此。引力波给我们打开了一扇全新的窗口。引力波是一种方式,是一种看待世界的方式。历史的发现轨迹告诉我们,每一扇新的窗口被打开,都会有令人称奇的发现。虽然LIGO的探测能力还是有限,一旦这个引力波的世界被撬开了一道小的裂缝,让我们看到了春天的种子,相信硕果累累的引力波丰收季节也不会太远。


素材来源于:腾讯科技、新浪科技、科普中国等。

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