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转载▼ 引力波将会告诉我们的六件大事(2016-02-12 15:19:04)

2016-02-13  豆豆455



    引力波的发现验证了广义相对论最后一个未被实验直接检测的预言,但引力波带来的认知革命绝不止步于此。引力波为我们打开了除电磁辐射(光学、红外、射电、X射线等)、粒子(中微子、宇宙线)之外,一个全新的窗口——我们从未能够以这样的方式观察宇宙。在引力波这个新窗口中,我们不再是以电磁场、物质粒子作为观察宇宙的凭借——我们感受的,是时空本身的颤动!因为引力波是一个bling~bling~闪闪发亮的崭新窗口,我们得以看到(或可能将会看到)很多以前极难观测的天体和现象。

  引力波将会告诉我们:

  1、黑洞是不是真的存在?

  LIGO的直接探测到的第一例引力波事件(据说)来自两个恒星质量黑洞的并合。两个黑洞并合前,会在与彼此的绕转中搅动周围的时空,向四周散发出涟漪般的引力波。这些引力波带走了一部分双黑洞系统的引力势能,让两个黑洞越绕越近、越近越快。而两个黑洞最终并合之后,融合成的大黑洞会经过几下“摇摆”,才会融成完美的球形。所以今天发布的引力波事件的波形大体如下图所示:

    引力波事件的波形

  在第一个阶段“旋进”时,引力波的周期越来越短(频率越来越高),振幅越来越大;到第二个阶段“并合”时,频率和振幅都达到极值;在并合之后的“衰荡”阶段,振幅急剧减小到零。这样的波形非常有特点——如果做成人耳能听到的音频,就像是旋转着冒出水面并破碎的气泡一样,非常有意思。

  正是因为这种波形的振幅、频率变化非常有特点,让LIGO团队得以把这一类波形在各种具体参数组合下的不同形状做成模板库,用于和LIGO实际收集到的信号做匹配。所以LIGO才能够顺利的找到这次的引力波事件。

  于是乎,既然探测到了两个黑洞并合的事件,我们自然知道——黑洞是存在的!

  你说,我们不是早就知道黑洞存在了么?

  其实不完全是……实际上我们虽然已经观测到海量的天体物理现象,是可以用黑洞的存在予以完美解释的,比如绕银心旋转的恒星的轨道表明,它们所围绕的,是一个在很小尺度内拥有巨大质量的天体——但是这不一定是个黑洞呀……(虽然我们并不相信会是别的什么东西)

  “非凡的预言需要非凡的证据”。黑洞是天文学家、物理学家的绝好玩具,好到他们不敢轻易相信它的存在。由双黑洞并合产生的引力波的发现,给出了黑洞确实存在的空前牢靠的证据。

  2、引力波是以光速传播吗?

  有波就有对应的粒子。引力波对应假想的引力子。如果引力子像光子一样,没有质量,那也应该以光速传播,这是经典的广义相对论的预言。但是也有人表示,如果引力子有一点质量,也许有助于解释宇宙加速膨胀。而如果引力子有质量的话,它就会以低于光速前进。这样如果我们能分别观测到一次高能事件产生的电磁辐射和引力波,看看它们到达地球有没有时间差,就能知道引力波是否在光子之后抵达地球,也就是引力波是否以光速传播。

  是,则再次捍卫老爱;不是,更是动摇物理大厦基础的重要发现。

  有波就有对应的粒子。引力波对应假想的引力子。如果引力子像光子一样,没有质量,那也应该以光速传播,这是经典的广义相对论的预言。但是也有人表示,如果引力子有一点质量,也许有助于解释宇宙加速膨胀。而如果引力子有质量的话,它就会以低于光速前进。这样如果我们能分别观测到一次高能事件产生的电磁辐射和引力波,看看它们到达地球有没有时间差,就能知道引力波是否在光子之后抵达地球,也就是引力波是否以光速传播。

  是,则再次捍卫老爱;不是,更是动摇物理大厦基础的重要发现。

  实际上就在引力波大新闻的论文发表的同一期PRL上,就有另一篇文章讨论引力波的速度。这篇文章通过对我们发现的第一对双脉冲星(Hulse-Taylor脉冲星)的观测,把引力波的速度与光速的差别限制在0.01以下。

  对了,这对脉冲星也是Hulse、Taylor两位前辈天文学家首次间接验证引力波所使用的源呢!PRL这显然是故意的^ ^

  Hulse-Taylor脉冲星轨道周期的变化,符合因辐射引力波损失能量而导致周期变短的广义相对论预言。这两位仁兄也因此获得1993年诺贝尔物理学奖。

  3、宇宙弦存在吗?

  有理论认为,宇宙早期相变过程中,可能产生极细却具有宇宙学尺度的长度的“宇宙弦”。

  这些宇宙弦就像耳机线,总有一天会自己打成结。当它们打结时,结点会发生断裂,并以引力波的形式释放出能量。

    宇宙弦打结的时候释放出的引力波波形模拟

  有些脑洞大的物理学家猜,也许宇宙弦的打结能够产生封闭类时曲线——通俗的讲也就是可以实现时间旅行——这确实是我们期待能探测宇宙弦的一个好理由。当然,应该注意到,过去一二十年中,COBE、WMAP等宇宙微波背景辐射(CMB)探测卫星并没有找到宇宙弦对CMB留下什么痕迹,也就是说即使宇宙弦真的存在,也不会有特别主要的作用。今天Kip Thorne在回应记者提问时,也表示,引力波会有助于我们加深对时空弯曲的理解,但要说时间旅行,还太太太早了点。

  4、中子星上有山吗?

  中子星是大质量恒星死亡时,核心残留的致密天体。它们的大小跟北京二环差不多,质量却可达两个太阳质量。这么致密的天体,表面重力加速度非常大,以至于任何一点凹凸不平,都应当会被重力差破坏掉。所以理论上,中子星应该是完美的球形。

  不过有天文学家相信,也许中子星上也是有“山”的——海拔几毫米的崇山峻岭。这些“山”的存在,让中子星有了微小的不对称瑕疵,这样的瑕疵像一个小小的伤口,会使高速自转的中子星通过引力波不断损失能量。

  而我们,可以通过监听中子星发出的引力波,来推测其上山峦起伏的情状。这给我们提供了一种新的探索中子星极致密物态性质的方法。

  5、恒星怎么就爆了?

  大质量恒星生命终点的时候,可能在一场剧烈的超新星爆炸之后塌缩为黑洞或中子星。但我们现在还不知道,超新星具体是如何点燃的。监听超新星爆炸时的引力波波形,与电磁波段的观测进行对比,可以给我们提供检验现有模型的更多依据。

  6、宇宙膨胀的多快?

  现在我们测量宇宙膨胀速度,使用的是Ia型超新星作为“标准烛光”——因为发现宇宙加速膨胀而获得诺贝尔奖的哪几个大哥,都是靠观测Ia型超新星拿奖的。

  不过要是Ia型超新星不够准确,可就麻烦了。好在引力波能给我们提供一个独立的“标准烛光”:通过测量引力波事件的强度,我们能推算出引力波源的距离。如果我们能在电磁波段上找到引力波源所在的星系,就能比较该星系的红移与引力波源距离之间的关系——这样我们就又多了一种测量宇宙膨胀速度的方法。

  本段主要参考、编译自2月9日Davide Castelvecchi在Nature新闻栏目上发表的短文《Gravitational waves: 6 cosmic questions they can tackle》。

  

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