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几张图让你读懂引力波是什么!

2016-02-24  温泉源春...

几张图让你读懂引力波是什么!

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2016年2月11日, 美国国家自然科学基金会携美国激光干涉引力波观测站(LIGO)的专家正式宣布:从两个合并的黑洞,LIGO首次直接探测到了引力波。据报道,北京时间2015年9月14日17:50:45分,激光干涉引力波观测平台的两个探测器同时观测到一个引力波瞬时事件,与爱因斯坦广义相对论预言的一对互相旋转的黑洞并合成一个黑洞的计算相符合。

基于观测到的信号,LIGO宣布这次观测到的引力波事件,是由13亿光年之外的一个质量为36倍太阳质量和一个29倍太阳质量的黑洞合并发出。合并后的黑洞质量62倍太阳质量,说明有3个太阳质量的能量以引力波的形式放出(误差0.5太阳质量),经过13亿光年的漫长旅行,最终抵达地球,被美国激光干涉引力波观测站(LIGO)探测到。探测的可信度是5.1个sigma,按照物理学界惯例,可以被称作发现。

激光干涉引力波天文台( LIGO,Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory),是美国1995年开始建设的。他们希望通过观测引力波对激光光束的改变,寻找引力波的踪迹。这一计划由麻省理工学院和加州理工学院共同主持,全球有近800名科学家参与了这一计划。

LIGO利用激光干涉探测引力波的原理,是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。理想的情况下,回来的两束光应该是相同的,但是如果有引力波出现,就会对这4公里的时空发生改变,导致两束激光的细微差别,在干涉条纹上就会出现显示出来。LIGO探测器是美国分别在路易斯安那州利文斯顿市与华盛顿州小城汉福德市建造的两个引力波探测器,不久前完成了改造升级,其探测灵敏度相比2010年提高了约10倍。

2014年热播的大片《星级穿越》(《Interstellar》)里,引力波是穿越时间、传递信息的幕后重要推手。

《星际穿越》电影的科学顾问以及同名科普书的作者——吉普·索恩教授(Kip Thorne),也是激光干涉引力波天文观测台(LIGO)的奠基人之一。

什么是引力波? 

引力波的实质是两个天体互相绕转运动时所产生的动态弯曲的空间波动。就好像有人在水池中央搅动水面,水面的变化会以波动的形式传向四方。类似的,相互绕转天体造成的空间变化也会向各个方向传播开来。这种由引力场变化造成的空间波动就是引力波。

如图所示,这是两个黑洞相碰撞的场景。一旦它们如此靠近,以致于无法逃脱彼此的引力,它们便融合成为一个更大的黑洞。此种碰撞会产生巨大的能量,并向宇宙时空发出巨大的涟漪。这种涟漪被称为——引力波。早在1915年,爱因斯坦在广义相对论中预言了它们的存在。

探测引力波有什么意义?

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。

在正式运行之前,几乎没有人会相信第一个探测到的引力波信号会是双黑洞并合,而且是质量如此之大的黑洞双星。通过这一次观测,我们知道了数十倍太阳质量的黑洞是可以存在的,这意味着其前身星必定金属含量比较低,同时星风比较弱。我们还可以限制这类事件的发生率,并且预测下一次科学运行时能有多少个探测结果。这一切,都无法通过传统的电磁波天文学得到。

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。事实上,引力波不光具备视觉所不能及的信息,其与人的听觉还有另一种异曲同工之妙:正如堵住一个耳朵,人就无法分辨声音的来源,只靠一个引力波探测器,也无法确定致密双星并合的信号。而现在测量致密双星并合信号的天空来源的方法,正如同人的听觉一样,靠到达两个耳朵的时间差,和到两个耳朵的信号的强弱比决定。因此,以地球为脑袋,引力波探测器为耳朵,LIGO的科学家们架设起了一座倾听宇宙的招风巨耳。

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。
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