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科学家探测到新型引力波:“时空涟漪”

2017-12-21  广陵子图...

    美国激光干涉仪引力波天文台(LIGO)再次放出重磅消息,宣布“探测到中子星并合产生的引力波”。那么,被称为“时空涟漪”的引力波到底是什么?多次发现引力波又有怎样的重要意义?

    “时空的涟漪”知多少要说发现引力波,首先要知道引力波是什么。早在百年之前,爱因斯坦就在其广义相对论论文中对引力和引力波进行了论证。他提出,引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲;引力的作用以波动的形式传播,即引力波。

    2017年1月4日,激光干涉引力波天文台(Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory,简称LIGO)收到了一个难以察觉的信号,科学家们在经过分析后,迅速将其确定为引力波。

    引力波的概念听上去艰涩难懂,但用通俗的方法解释,引力波就像一个池塘中投下一枚石子所引起的涟漪,只不过,引力波是时空的涟漪。

    不过,100年来,谁也无法证实引力波存在,直到16年2月,美国科学家才宣布他们于2015年9月首次探测到了引力波。这次引力波事件被认为印证了爱因斯坦的假说,因此也被称为“来自爱因斯坦的圣诞礼物”。

    而且,此前4次发现的引力波都是可以“听到”的。在一片嘈杂的背景噪音中,一声“噗”的清脆声响,如水滴落水,持续时间短暂得不到1秒,这正是由引力波转化成的宇宙之声。第5次发现的引力波,不仅能“听到”,还能用天文望远镜“看到”。

探测到引力波的意义

    科学家称,以前天文学只能借由电磁波进行观测,但很多物质靠电磁波观测是看不到的。现在测到引力波之后,可以借由引力波观测天体,比如黑洞、暗物质等,研究宇宙早期的结构和演化。

    引力波是爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”,它的发现是物理学界里程碑式的重大成果。

    LIGO项目组曾在第二次探测到引力波后称,一次探测可能只是个例,而此番再次探测到引力波则证明引力波信号的探测并非罕见事件,有理由预期未来还将有更多探测案例的出现,从而真正开启一个全新的“引力波天文学时代”。

    在第四次探测到引力波后,有科学家表示,相隔万里的探测器首次共同探测到引力波,对旨在破解宇宙奥秘的国际科学探索来说,是一个“令人激动的里程碑”。

    此次首次发现新型引力波同样具有重大意义。黑洞合并产生的引力波信号通常持续不到一秒,而中子星合并产生的信号能持续一分钟。另外,中子星比黑洞质量小,产生的引力波能量更小,信号衰变时间更长。因此探测中子星合并产生的引力波信号,不仅能更精准地验证爱因斯坦相对论对引力波的预测,还能为研究中子星起源提供更多线索。

    而且,科学家们首次在可见光下直接观测到引力波,引力波探测将迎来全新时代。即继通过“听”时空涟漪的振动信号后,传统望远镜还能通过“看”来捕捉引力波信号。


专家解析引力波新发现:从预测到看见历经百年

资料图:希伯来大学的爱因斯坦档案馆馆长Roni Gross展示爱因斯坦有关引力波的原始文件。

世界天文机构集体“卖关子”

——科学家发现新型引力波

    连日来,全球数十家著名天文机构纷纷发布了同一条消息:北京时间10月16日晚上10点,将发布重大消息。有媒体统计,这些机构包括中国南京紫金山天文台、美国国家航空航天局、欧洲南方天文台等。

    多个国家的天文机构集体“卖关子”的大事究竟是什么呢?这一谜底最终如期而至。

    北京时间16日晚,LIGO在官网宣布,今年8月,LIGO和欧洲“处女座”(Virgo)引力波探测器及其他合作伙伴探测到由双中子星合并产生的新型引力波。

    早在百年以前,科学家爱因斯坦就在其广义相对论论文中对引力和引力波进行了论证,他提出,引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲;引力的作用以波动的形式传播即引力波。

    这个概念听上去有些艰涩,但用通俗的方法解释,引力波就像一个池塘中投下一枚石子所引起的涟漪,只不过,引力波是“时空的涟漪”。

    根据爱因斯坦预言,强引力场事件可产生引力波,比如黑洞合并、脉冲星自转以及超新星爆发等。此次最新的发现,是人类首次探测到双中子星合并产生的引力波。

专家解析引力波新发现:从预测到看见历经百年

资料图:瑞典斯德哥尔摩当地时间10月3日,瑞典皇家科学院将2017年诺贝尔物理学奖授予Rainer Weiss,Barry C. Barish和Kip S. Thorne,以表彰他们在引力波研究方面的贡献。图为Kip S. Thorne。

百年前预测渐获证实

——近年来人类数次探测到引力波

    不过,有关引力波的探索,人类从预测到发现经历了百年时间。直到2016年2月,美国科学家才宣布他们首次探测到了引力波,该引力波发生在2015年9月。这次事件被认为印证了爱因斯坦的假说。

    此后,科学家又陆续宣布,2015年12月和2017年1月先后探测到了引力波,进一步印证了爱因斯坦广义相对论的正确性;2017年8月,LIGO的两台干涉仪和Virgo的一台干涉仪,从三个地点几乎同时捕获到了引力波。

    2017年10月,瑞典皇家科学院将本年度的诺贝尔物理学奖授予雷纳?韦斯(Rainer Weiss),巴里?巴瑞斯(Barry C. Barish)和吉普?索恩(Kip S. Thorne)三位科学家,以表彰他们在引力波研究方面的贡献。

专家解析引力波新发现:从预测到看见历经百年

图为中国科学院紫金山天文台研究员王立帆现场发布。 吴雪峰 摄

新引力波探索的中国贡献

——“慧眼”望远镜成功监测到爆发天区

    此次关于引力波的最新探索也有来自中国的贡献。据媒体报道,中国第一颗空间X射线天文卫星——慧眼HXMT望远镜(以下简称“慧眼”望远镜)对此次引力波事件发生进行了成功监测。

    中国科学院高能物理研究所研究员熊少林在接受媒体采访时透露,“慧眼”望远镜在引力波事件发生时成功监测了引力波源所在的天区,对其伽马射线电磁对应体(简 称引力波闪)在高能区(MeV,百万电子伏特)的辐射性质给出了严格的限制,相关探测结果发表在报告此次历史性发现的研究论文中。

    此次引力波事件具有极为重要的意义,天文学家使用了大量的地面和空间望远镜进行观测,形成了一场天文学历史上极为罕见的全球规模的联合观测。

    然而,引力波事件发生时仅有4台X射线和伽马射线望远镜成功监测到爆发天区,中国的“慧眼”望远镜便是其中之一。

    此外,中国科学院紫金山天文台16日晚也宣布,自北京时间2017年8月18日21:10起(即距离引力波事件发生24小时后),中国南极巡天望远镜 AST3合作团队利用正在中国南极昆仑站运行的第2台望远镜AST3-2对GW170817开展了有效的观测,此次观测持续到8月28日,期间获得了大量 的重要数据,并探测到此次引力波事件的光学信号。

专家解析引力波新发现:从预测到看见历经百年

资料图:瑞典斯德哥尔摩当地时间10月3日,瑞典皇家科学院将2017年诺贝尔物理学奖授予Rainer Weiss,Barry C. Barish和Kip S. Thorne,以表彰他们在引力波研究方面的贡献。图为Ranier Weiss。

新引力波能被望远镜“看”到

——专家:开启引力波多波段、多媒介观测时代

    过去探索到的数次引力波事件,都是双黑洞并合,但黑洞并合真的是“黑”的,它不会发射出电磁波;而这次双中子星并合产生的引力波,是会发光的,至少是能被电磁波望远镜“看”到的。

    北京师范大学天文系讲师高爽在接受中新网记者采访时分析称,“黑洞产生的引力波很强,但持续时间短,中子星产生的则偏弱,但持续时间长,这意味着现在已经可以探测到比较弱的信号,探测仪器的能力更灵敏,噪声控制得更好。”

    他还表示,双中子星合并是金银等重金属的形成机制,探测这样的过程能够帮助人类理解化学元素的起源。

    而另一个重要的进步来自对引力波精准的定位。高爽解释说,过去的引力波只能很粗糙地知道大概的方向,现在可以精确定位,从而探测到引力波的来源天体,使得望远镜可以进一步观测,开启了多波段、多媒介观测引力波的时代。

    谈及未来,高爽相信,肯定会发生越来越多的引力波事件,将会有更多的数据用来分析引力波的细节,帮助人类理解黑洞、恒星、宇宙早期的行为和演化。

    “国际多个望远镜共同观测也将成为一种新的合作机制,中国也有越来越多的新设备加入其中,贡献力不容小觑。”高爽说。

引力波示意图

引力波示意图

    北京时间2017年10月16日22点,美国国家科学基金会召开新闻发布会,宣布激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台(Virgo)于 2017年8月17日首次发现双中子星并合引力波事件,国际引力波电磁对应体观测联盟发现该引力波事件的电磁对应体。记者从中国科学院高能物理所获悉,我 国第一颗空间X射线天文卫星——慧眼HXMT望远镜(以下简称“慧眼”望远镜)对此次引力波事件发生进行了成功监测,为全面理解该引力波事件和引力波闪的 物理机制做出了重要贡献,不仅以合作组形式加入了报告本次历史性发现的论文(即发现论文),而且在论文的正文部分报告了观测结果。该论文于10月16日正 式发表。

    引力波是1916年爱因斯坦建立广义相对论后的预言。极端天体物理过程中引力场急剧变化,产生时空扰动并向外传播,人们形象地称之为“时空涟漪”。 自从2015年9月14日LIGO首先发现双黑洞并合产生的引力波事件以来,已经探测到4例引力波事件,包括这次宣布的LIGO和Virgo联合探测的双 中子星并合引力波事件。

    引力波的直接探测刚刚获得了2017年度诺贝尔物理学奖。探测引力波电磁对应体对研究引力波事件、宇宙学以及基础物理具有不可替代的决定性作用,因此,人们普遍认为引力波研究的下一个里程碑是发现引力波事件产生的电磁辐射。

    中国科学技术大学物理学院教授蔡一夫说:“简单说,引力波电磁对应体是指来自同一个天体现象伴随着引力波同时产生的电磁信号。”

    “本次发现的引力波事件跟以往发现的双黑洞并合不同,它由两颗中子星并合产生。理论预言双中子星并合不仅能产生引力波,而且能产生电磁波,即引力 波电磁对应体,因此本次探测到引力波以及电磁对应体是天文学家期待已久的重大发现,在天文学以及物理学发展史上具有划时代的意义,正式开启了多信使引力波 天文学时代。”

    因为此次引力波事件具有极为重要的意义,天文学家使用了大量的地面和空间望远镜进行观测,形成了一场天文学历史上极为罕见的全球规模的联合观测。然而,引力波事件发生时仅有4台X射线和伽马射线望远镜成功监测到爆发天区,中国的“慧眼”望远镜便是其中之一。

慧眼HXMT望远镜卫星

慧眼HXMT望远镜卫星

    “在 这些望远镜中,'慧眼’在0.2-5 MeV能区的探测接收面积最大、时间分辨率最好,因此对引力波闪的百万电子伏特(MeV)能区的伽马射线辐射的探测能力最强。” 熊少林说,“虽然此前人们普遍预计像本次事件这样近距离(约1.3亿光年)的双中子星并合产生的引力波闪将极为明亮,但本次引力波事件产生的引力波闪出乎 意料的暗弱,特别是在MeV能区的辐射十分微弱,导致没有望远镜(包括慧眼在内)在这个能区探测到引力波闪。慧眼望远镜凭借强大的探测性能,对该引力波闪 在MeV能区的辐射性质给出了严格的上限。”

    除了参与历史性的核心发现论文,慧眼望远镜的详细分析结果以独立论文的形式已于10月16日同步发表在《中国科学:物理学力学天文学》杂志英文版的网页版。

    “慧眼”望远镜本来的设计目标是探测黑洞和中子星等银河系内的X射线天体,研究极端引力场条件下的物理规律。项目组通过对慧眼望远镜辅助探测 器的创新性使用,获得了额外的探测伽马暴及引力波电磁对应体的能力,使其成为国际上正在运行的最重要的伽马射线暴监测设备之一,大大扩展了望远镜的科学产 出。

    “慧眼”卫星由国家国防科技工业局和中国科学院联合资助建造,于2017年6月15日从酒泉卫星发射中心成功发射升空,开始为期5个月 的试运行。中科院高能物理研究所(粒子天体物理重点实验室)负责望远镜观测运行以及数据处理。参与本次引力波事件观测时,慧眼望远镜刚刚试运行2个月。试 运行结束后慧眼望远镜将开始正式的科学观测,同时继续监测研究引力波闪。

LIGO实验室

LIGO实验室

    此外,在LIGO合作组2016年宣布探测到引力波之后,发现引力波事件的电磁对应体便成为最重要的天体物理问题之一。在慧眼望远镜的技术基础之上,中国科 学院高能物理研究所提出了专门探测引力波闪的引力波高能电磁对应体全天监测器项目(GECAM),并将其命名为“闪电”。

    “闪电”采用针对性优化设计,不仅能够同时监测全天随机爆发的引力波闪,而且具有更低的探测阈值、更高的监测灵敏度以及更好的定位能力,对引力波闪的综合探测性能远超现有望远镜。

    “目前,在中国科学院前沿科学重点研究计划的支持下, “闪电”项目的关键技术攻关以及方案设计的大部分工作已经完成。如果立即立项,可以在2020年前发射升空,从而赶上与最佳灵敏度的LIGO和Virgo 等引力波探测器进行联合观测,并与“慧眼”望远镜联合获得宽能区范围内引力波闪的性质,实现最大的科学产出,使我国在引力波电磁对应体的探测研究上达到国 际领先水平。”

欧洲南方天文台(ESO)的望远镜捕捉到的双子星引力波之光。(图片来源:ESO)

欧洲南方天文台(ESO)的望远镜捕捉到的双子星引力波之光。(图片来源:ESO)

    ESO的望远镜首次探测到引力波对应的光学信号,并在网站上公布了捕捉到的引力波之光画面。

    画面中的引力波之光,中心如巨型钻石一般璀璨夺目,钻石周围形成泛着紫色和蓝色的光圈,一束光线如利剑一般从钻石中心穿过,带给人极为震撼的视觉效果。

    此次引力波新发现标志着多信使天文学新时代的开启。因为此次中子星引力波发现是人类历史上第一次使用引力波天文台和其它天文望远镜同时观测到了同一个天体物理事件。

LIGO项目执行主任:中国在考虑发射引力波探测卫星

    这张由美国国家科学基金会、美国“激光干涉引力波天文台”、索诺玛州立大学和A. Simonnet提供的效果图显示的是两个合并中的中子星。新华社图

    “这是天文学史上一个真正重大的发现,”赖茨在美国首都华盛顿举行的新闻发布会后接受新华社记者专访时说。

    赖茨说,多种观测方式结合使用,将向人们展现引力波事件更为完整的图景,所以这是一种全新的天文学。这可以让人们获得许多新信息,比如中子星合并会产生金银等重金属并释放伽马射线暴等,这些都是几十年来人们一直在探索的问题,现在终于有了答案。

    此前探测到引力波的方式被科学家比喻为“听”,而这次使用的光学望远镜等方式则重在“看”。人类已先后4次“听到”双黑洞合并产生的引力波,科学家也一直期待着“看到”这种宇宙的时空涟漪。赖茨坦言,没想到这一天这么快到来。

    “哇!真的就是哇!”赖茨回忆他看到这个信号的第一反应。他解释说,这一信号有很多特殊之处,比如它的源头很近,距离地球只有1.3亿光年,而此前的黑洞引力波源头是这个距离的至少10倍;伽马射线暴的方向也并不对准地球。

    “从统计学角度来说,你并不总是能看到伽马射线暴,这意味着你并不总是能看到光(没有光就无法排除黑洞可能性),所以这是一个了不起的事件,”赖茨说,“所以我的反应是哇,不敢相信。”

    采访过程中,赖茨从口袋里掏出一块十九世纪初的金表,这块表是他的外曾祖父送给他的祖母的,他的祖母又在他小时候送给了他。

    “这块表中的金子很有可能就来源于数十亿年前两颗中子星的碰撞,”他说,“大家身上的黄金饰物,包括结婚戒指、耳环、手镯以及金条里的金子可能都是双中子星合并的产物。非常有意思!”

    当谈到中国,赖茨说,他知道中国有一些引力波探测器建设方面的探讨。建设引力波探测器会面临一系列挑战,包括有足够大且合适的地方建,有相关人才储备,还需要很多钱,不过对中国来说,这些可能都不是问题。

    “我认为中国只要想参与进来,就能真正发挥作用,”他说,“我知道中国已经在考虑发射引力波探测卫星,所以那真是非常、非常激动人心。”

    当谈起引力波天文学的未来时,赖茨说,尽管爱因斯坦的广义相对论一次又一次被证明是对的,但它不可能是最终的理论,因为它与量子力学不相兼容,所以将来如果能在黑洞合并等事件中看到引力的量子特性,那将让任何已有的发现相形失色,不过谁也不能保证就一定会有这样的发现。

    引力波的发现如此重要,3名美国科学家因此获得今年诺贝尔物理学奖。那么引力波天文学会带来更多诺奖吗?赖茨闻言哈哈一笑:“这取决于诺奖委员会。”

    2016年2月11日,美国地基先进激光干涉引力波天文台LIGO宣布探测到来自双黑洞并合的引力波辐射,一举证实了广义相对论给出的黑洞和引力波 两大预言。今年10月,诺贝尔物理学奖授予LIGO的三位奠基者。在此之前,8月17日, LIGO和VIRGO(欧洲“室女座”引力波探测器)共同探测到的引力波事件GW 170817,是人类首次直接探测到由两颗中子星并合产生的引力波事件。随后的几秒之内,美国宇航局Fermi伽玛射线卫星和欧洲INTEGRAL卫星都 探测到了一个极弱的短时标伽玛暴GRB 170817A。随后,全球有几十台天文设备对GW 170817开展了后随观测,确定这次的引力波事件发生在距离地球1.3亿光年之外的编号为NGC 4993的星系中。从北京时间2017年8月18日21:10,即距离引力波事件发生24小时后,中国南极巡天望远镜AST3合作团队利用正在中国南极昆 仑站运行的第2台望远镜对此次引力波事件进行了有效的观测,此次观测持续到8月28日,期间获得了大量的重要数据,最终探测到了第一例来自双中子星合并的 光学对应体信号。

    这些数据揭示了此次双中子星并合抛射出约1 %太阳质量,相当于超过3000个地球质量的物质,这些物质以0.3倍的光速被抛到星际空间,抛射过程中部分物质发生核合成,形成比铁还重的元素。因此, 这次引力波光学对应体的发现,证实了双中子星并合事件是宇宙中大部分超重元素,例如金、银的起源。

中国南极巡天望远镜探测到首例引力波事件光学信号

第二台南极巡天望远镜AST3-2

    据介绍,AST3-2是我国在昆仑站安装的第二台南极巡天望远镜。其有效通光口径50厘米,是南极现有最大的光学望远镜,并且完全实现了极端环境下的无人值守全自动观测。目前,AST3-2主要进行超新星巡天、系外行星搜寻、引力波光学对应体探测等天文前沿研究。

来自中子星并合的引力波

    引力波是一种不同寻常的波动。简单来说,引力波是当物质的分布随时间发生变化时产生的“时空涟漪”。波一般人都很熟悉,一块石头被丢进水里在湖面上会产生的 波纹。但时空的波动和物质的波动确有根本区别。当引力波从宇宙深处传到地球表面的时候,地球上所有的物质都会随之波动,不管重如泰山或轻如鸿毛都会一起随 引力波波动。不仅如此,所有的时钟无论多么精确都会相应的时快时慢。1916年,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。此前,广义相对论的其它预言都 已获观测验证,唯有引力波是爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”。

    2016年2月11日,美国地基 先进激光干涉引力波天文台宣布探测到来自双黑洞并合的引力波辐射,一举证实了广义相对论给出的黑洞和引力波两大预言。2017年10 月诺贝尔物理学奖也授予LIGO的三位奠基者。然而,引力波信号微弱,探测的难度非常大。中子星并合和GW 170817 中子星并合过程中产生强烈的引力波辐射,是探测器的主要观测对象,也是天文学家最关注的引力波电磁对应体的目标源。此次LIGO和VIRGO共同探测到的 引力波事件GW170817, 是人类首次直接探测到的双中子星并合产生的引力波事件。这也是人类首次将电磁波信号与引力波信号毫无疑义地联系在了一起。引力波和电磁信号的同时探测,可 以揭示宇宙超铁元素的起源、高精度测量引力波的速度以及检验爱因斯坦等效原理。

    引力波探测可谓是今年物理学的大热门,10月份不负众望摘下诺贝尔物理学奖,此后,天文学家又宣布首次探测到由双中子星合并产生的引力波及其伴随的电磁信号。

“宇宙之眼”:模拟黑洞合并过程 探寻时空涟漪

  黑洞合并模拟图。(图片来源:NASA)

    从2015年9月至今,科学家已经五次捕捉到引力波。其中,前四次探测到的引力波都是由黑洞合并产生。不过,现在还有更大的物体,它们的引力波信号还没有被探测到:超大质量的黑洞,比太阳质量大1亿倍。

    大多数大型星系都有一个中央超大质量黑洞。当星系发生碰撞时,它们的中心黑洞倾向于彼此螺旋上升,释放出引力波。但超大质量黑洞的引力波产生的频率要低得多。

    为了探索这一未知的引力波科学领域,研究人员开始关注脉冲星计时阵列的自然实验。脉冲星是死星的密集残留物,它们经常发射无线电波,这就是为什么有些人称之为“宇宙灯塔”。

    黑洞的合并会产生引力波,因为当它们相互环绕时,它们的引力会扭曲时空的结构,以光速向各个方向向外发射。这些扭曲实际上使地球和脉冲星的位置发生了轻微的变化,从而产生了一种来自天体灯塔的特征和可探测的信号。

    研究人员称,“从10亿次太阳质量黑洞的合并中发现引力波,将有助于解开星系形成的一些最持久的谜题” 。


根据爱因斯坦的相对论,宇宙中巨大的天体运动会让时空发生扭曲并像波浪一样传播,这就是引力波。2016年,多国科学家首次探测到了引力波。  


  我国的引力波探测计划也在积极实施,近日,央视记者采访到了引力波探测“天琴”计划的关键人物罗俊院士。

  “天琴”引力波探测装置正在研发

  在湖北武汉,华中科技大学的喻家山底下的防空洞里,罗俊院士和他的团队正在研发引力波探测装置。 


  中国科学院院士罗俊表示,这个装置是在距离地球约10万公里高的轨道上放三颗卫星,中间用激光联系起来。引力波过来,一边空间会拉伸,一边空间 会收缩,这个拉伸距离只有皮米级(一个原子的大小)。这个装置立体看像一个竖琴,而引力波是拨动琴弦的上帝之手,所以这个项目取名字叫“天琴”。

    1915年,爱因斯坦发表了场方程,建立了广义相对论。一年之后,史瓦西发表了后来被用来解释黑洞的爱因斯坦场方程的解。1963年,克尔给出了旋 转黑洞的解。1974年脉冲双星PSR1913+16的发现证实了致密双星系统的引力辐射完全与广义相对论的预言一致。2016年2月11 日,LSC(LIGO科学合作组织,LIGO Scientific Collaboration)向全世界宣布:人类首次直接探测到了引力波,并且首次观测到了双黑洞的碰撞与并合。

    在这一百年里,被誉为 “人类认知自然最伟大的成就” 的广义相对论,一直在成长中:我们知道了时空的弯曲以及一些由时空弯曲可能产生的奇异事物,比如黑洞、引力波、奇点、虫洞甚至时间机器。在过去历史中的某 些时期,甚至现在,其中有些事物被不少物理学家视为洪水猛兽般的怪物,对它们是否存在提出过强烈的怀疑。就连爱因斯坦本人直到逝世前都还在怀疑黑洞的存 在。曾经同样的黑洞怀疑论者惠勒,后来却成为了黑洞存在的支持者和宣传者。历史告诉我们,我们对时间、空间和时空弯曲所产生的事物的认知,会发生革命。引 力波作为广义相对论的重要预言,直到在上个世纪60年代,其存在性也仍被不少物理学家质疑过。在之后的漫长岁月里,几代物理学家付出了无数努力,可这神秘 的引力波却一直没有被发现。

    北京时间2015年9月14日17点50分45秒,激光干涉仪引力波天文台(以下简称LIGO)分别位于美国 路易斯安那州的利文斯顿(Livingston)和华盛顿州的汉福德(Hanford )的两个的探测器,观测到了一次置信度高达5.1倍标准差的引力波事件:GW150914。根据LIGO的数据,该引力波事件发生于距离地球十几亿光年之 外的一个遥远星系中。两个分别为36和29太阳质量的黑洞,并合为62太阳质量黑洞,双黑洞并合最后时刻所辐射的引力波的峰值强度比整个可观测宇宙的电磁 辐射强度还要高十倍以上。详细结果将在近日发表于物理评论快报(Phys. Rev. Lett., 116, 061102)。这项非凡的发现标志着天文学已经进入新的时代,人类从此打开了一扇观测宇宙的全新窗口。

    LIGO 汉福德(H1,左图)和利文斯顿(L1,右图)探测器所观测到的GW150914引力波事件。图中显示两个LIGO探测器中都观测到的由该事件产生的引力 波强度如何随时间和频率变化。两个图均显示了GW150914的频率在0.2秒的时间里面“横扫”35Hz到250Hz。GW150914先到达L1,随 后到达H1,前后相差7毫秒——该时间差与光或者引力波在两个探测器之间传播的时间一致。(此图版权为LSC/Virgo Collaboration所有)

什么是引力波?

    广义相对论告诉 我们:在非球对称的物质分布情况下,物质运动,或物质体系的质量分布发生变化时,会产生引力波。在宇宙中,有时就会出现如致密星体碰撞并合这样极其剧烈的 天体物理过程。过程中的大质量天体剧烈运动扰动着周围的时空,扭曲时空的波动也在这个过程中以光速向外传播出去。因此引力波的本质就是时空曲率的波动,也 可以唯美地称之为时空的“涟漪”。

    下面这个动画来自佛罗里达大学的S. Barke,显示了两个黑洞相互绕旋慢慢靠近最后并合的全过程。过程中黑洞周围的时空被剧烈扰动,最后以引力波的形式传播出去。

    引力波的强度由无量纲量h表示。其物理意义是引力波引起的时空畸变与平直时空度规之比。h又被称为应变,它的定义可以用下图说明。

    引力波竖直穿过由静止粒子组成的圆所在平面时,圆形状发生的变化。(图片来自德国爱因斯坦研究所。)

    由上图可见,在引力波穿过圆所在平面的时候,该圆会因为时空弯曲而发生畸变。圆内空间将随引力波的频率会在一个方向上被拉伸,在与其垂直的方向相应地被压 缩。为了便于解释引力波的物理效应,图中所显示的应变h大约是0.5,这个数值远远大于引力波的实际强度。哪怕是很强的天体物理引力波源所释放的引力波强 度,到达地球时也只有10-21。这个强度的引力波在整个地球这么大的尺度上产生的空间畸变不超过10-14米,刚好比质子大10倍。

引力波是怎么被发现的?

    在过去的六十年里,有许多物理学家和天文学家为证明引力波的存在做出了无数努力。其中最著名的要数引力波存在的间接实验证据——脉冲双星 PSR1913+16。1974年,美国物理学家家泰勒(Joseph Taylor)和赫尔斯(Russell Hulse)利用射电望远镜,发现了由两颗质量大致与太阳相当的中子星组成的相互旋绕的双星系统。由于两颗中子星的其中一颗是脉冲星,利用它的精确的周期 性射电脉冲信号,我们可以无比精准地知道两颗致密星体在绕其质心公转时他们轨道的半长轴以及周期。根据广义相对论,当两个致密星体近距离彼此绕旋时,该体 系会产生引力辐射。辐射出的引力波带走能量,所以系统总能量会越来越少,轨道半径和周期也会变短。

    泰勒和他的同行在之后的30年时间里面 对PSR1913+16做了持续观测,观测结果精确地按广义相对论所预测的那样:周期变化率为每年减少76.5微秒,半长轴每年缩短3.5米。广义相对论 甚至还可以预言这个双星系统将在3亿年后合并。这是人类第一次得到引力波存在的间接证据,是对广义相对论引力理论的一项重要验证。泰勒和赫尔斯因此荣获 1993年诺贝尔物理学奖。

    SR1913+16转动周期累积移动观测值与广义相对论预言值的比较。图中蓝色曲线为广义相对论的预测值,红点为观测值。两者误差小于0.2%,此发现给引力波科学注入了一针强心剂。

    在实验方面,第一个对直接探测引力波作伟大尝试的人是韦伯(Joseph Weber)。早在上个世纪50年代,他第一个充满远见地认识到,探测引力波并不是没有可能。从1957年到1959年,韦伯全身心投入在引力波探测方案 的设计中。最终,韦伯选择了一根长2米,直径0.5米,重约1吨的圆柱形铝棒,其侧面指向引力波到来的方向。该类型探测器,被业内称为共振棒探测器(如下 图):

    韦伯和他设计的共振棒探测器。引力波驱动铝棒两端振动,从而挤压表面的晶片,产生可测的电压。图片来自:马里兰大学。

    当引力波到来时,会交错挤压和拉伸铝棒两端,当引力波频率和铝棒设计频率一致时,铝棒会发生共振。贴在铝棒表面的晶片会产生相应的电压信号。共振棒探测器有 很明显的局限性,比如它的共振频率是确定的,虽然我们可以通过改变共振棒的长度来调整共振频率。但是对于同一个探测器,只能探测其对应频率的引力波信号, 如果引力波信号的频率不一致,那该探测器就无能为力。此外,共振棒探测器还有一个严重的局限性:引力波会产生时空畸变,探测器做的越长,引力波在该长度上 的作用产生的变化量越大。韦伯的共振帮探测器只有2米,强度为10-21的引力波在这个长度上的应变量(2×10-21米)实在太小,对上世纪五六十年代 的物理学家来说,探测如此之小的长度变化是几乎不可能的。虽然共振棒探测器没能最后找到引力波,但是韦伯开创了引力波实验科学的先河,在他之后,很多年轻 且富有才华的物理学家投身于引力波实验科学中。

    在韦伯设计建造共振棒的同时期,有部分物理学家认识到了共振棒的局限性,有一种基于迈克尔逊干涉仪原理的引力波探测方案在那个时代被提出。到了70年代,麻省理工学院的韦斯(Rainer Weiss)以及马里布休斯实验室的佛瓦德(Robert Forward),分别建造了引力波激光干涉仪。到了70年代后期,这些干涉仪已经成为共振棒探测器的重要替代者。

引力波激光干涉仪的工作原理

    上图可以描述引力波激光干涉仪的基本思想。可以简单理解为有四个测试质量被悬挂在天花板上,一束单色、频率稳定的激光从激光器发出,在分光镜上被分为强度相 等的两束,一束经分光镜反射进入干涉仪的X臂,另一束透过分光镜进入与其垂直的另一Y臂。经过末端测试质量反射,两束光返回,并在分光镜上重新相遇,产生 干涉。我们可以通过调整X、Y臂的长度,控制两束光是相消的,此时光子探测器上没有光信号。当有引力波从垂直于天花板的方向进入之后,会对两臂中的一臂拉 伸,另一臂压缩,从而两束光的光程差发生了变化,原先相干相消的条件被破坏,探测器端的光强就会有变化,以此得到引力波信号。激光干涉仪对于共振棒的优势 显而易见:首先,激光干涉仪可以探测一定频率范围的引力波信号;其次,激光干涉仪的臂长可以做的很长,比如地面引力波干涉仪的臂长一般在千米的量级,远远 超过共振棒。

    自20世纪90年代起,在世界各地,一些大型激光干涉仪引力波探测器开始筹建,引力波探测黄金时代就此拉开了序幕。

    这些引力波探测器包括:位于美国路易斯安那州利文斯顿臂长为4千米的LIGO(L1);位于美国华盛顿州汉福德臂长为的4千米的LIGO(H1);位于意大 利比萨附近,臂长为3千米的VIRGO;德国汉诺威臂长为600米的GEO,日本东京国家天文台臂长为300米的TAMA300。这些探测器在2002年 至2011年期间共同进行观测,但并未探测到引力波。在经历重大改造升级之后,两个高新LIGO探测器于2015年开始作为灵敏度大幅提升的高新探测器网 络中的先行者进行观测,而高新VIRGO也将于2016年年底开始运行。此外,欧洲的空间引力波项目eLISA和日本的地下干涉仪KAGRA 的研发与建设也在紧锣密鼓地进行。

    想要成功探测诸如GW150914的引力波事件,不仅需要这些探测器具有惊人的探测灵敏度,还需要将真正来自于引力波源的信号与仪器噪声分离:例如由环境因素或者仪器本身导致的微扰,都会扰乱或者轻易淹没我们所要寻找的信号。这也是为什么需要建造多个探测器的主要原因。它们帮助我们区分引力波和仪器环境噪声只有真正的引力波信号会出现在两个或者两个以上的探测器中。当然考虑到引力波在两个探测器之间传播 的时间,前后出现会相隔几个毫秒。

    上图(来自LIGO Laboratory/Corey Gray)是位于美国路易斯安那州利文斯顿附近,臂长4千米的激光干涉仪引力波探测器(L1)。下图为高新LIGO的灵敏度曲线: 图中X轴是频率,Y轴是频率对应的噪声曲线,仪器噪声越低,探测器对引力波的灵敏度越高。可见高新LIGO的最佳灵敏度在100-300Hz之间。

    经过4年不断升级和测试的高新LIGO终于在2015年9月初试锋芒。事实上,很多人都对2015年的第一次观测运行(O1)能否探测到信号抱有怀疑态度, 因为它的灵敏度还远远没到最佳状态。然而,宇宙往往在不经意间给人以惊喜。甚至在O1没有正式启动时,GW150914就已经不期而遇了*。万幸的 是,O1采用的是软启动,所以在信号到达地球时,探测器已经处于工作状态了,采集到的数据也是可靠的。

GW150914事件到底是什么?

    在 2015年9月14日北京时间17点50分45秒,LIGO位于美国利文斯顿与汉福德的两台探测器同时观测到了GW150914信号。这个信号首先由低延 迟搜索方法来识别(这种搜索方法并不关心精确的引力波波形,它通过寻找可能为引力波的某些特征迹象来较快速地寻找引力波),在仅仅三分钟之后,低延迟搜索 方法就将此作为引力波的候选事件汇报了出来。之后LIGO干涉仪获得的引力波应变数据又被LSC的数据分析专家们拿来和一个海量的由理论计算产生的波形库 中的波形相对照,这个过程是为了找到和原数据最匹配的波形,也就是通常所说的匹配滤波器法。图7展示了进一步数据分析后的主要结果,证实了 GW150914是两个黑洞并合的事件。

    通过比较引力波应变数据(以在汉福德的H1探测器所接收的应变为例)和由广义相对论计算得出的在旋进(inspiral)、合并(merger)、铃宕 (ringdown)三个过程的最佳匹配波形,得出的关于GW150914的一些关键结论。图片下方展示了两个黑洞的间距和相对速度随时间演化的过程,它 们的速度在不到0.2秒的时间内达到了0.6倍光速。(此图版权为LSC/Virgo Collaboration所有)

    后续跟进的数据分析结果还显示,GW150914是一个36倍太阳质量的黑洞和一个29倍太阳质量黑洞并合事件,在并合后产生了一个62倍太阳质量带自旋的 kerr黑洞。这一切发生于距离我们十几亿光年以外的地方。LIGO 探测器真实地探测到了很久以前发生于某个遥远星系的一个大事件!

    将并合前的两个黑洞和最终产生的黑洞相比较,可以发现这次并合将大约3倍太阳质量(大约600万亿亿亿(~6×1030)公斤)转换成了引力波能量,其中绝 大部分在不到一秒的时间里释放了出去。相比之下,太阳在一秒内发出的能量大约只相当于是四十亿(~4×109)公斤物质转换成的电磁辐射。实际上,令人惊 奇的是,GW150914放出的峰值功率要比可观测宇宙中所有星系的光度总和还高10倍以上!正是因为致密双星系统在并合前的最后阶段才能释放达到峰值功 率的引力波,所以之前提到的还有3亿年才能并合的PSR1913+16双星由于正在释放的引力波强度还太弱,因此很难被探测到。

    以上数据 还表明,这两个黑洞在并合前的间隔只有数百公里,引力波的频率在此时大约达到了150Hz。因为足够致密,黑洞是唯一已知在如此近的距离都不会碰撞融合的 物体。由并合前总质量可知,双中子星的总质量远低于此,而如果是一对黑洞和中子星组成的双星的话,要产生这样的波形,它们必定会在远低于150Hz的时候 就早已开始并合了。因此,GW159014确凿无误是一次双黑洞的并合事件。

新的时代

    爱因斯坦的广义相对论自从100年前提出以来,历经了重重考验,从对水星近日点进动的解释,到1919年爱丁顿对日全食时太阳附近光线偏折的研究,再到对引 力红移的验证,每一次检验,相对论都从容应对。而这一次引力波的探测,更是有力地支持了相对论在强引力场下的正确性。至此,广义相对论的所有主要预言被一 一验证,而这一个传奇的理论在经历了一个世纪的风雨后历久弥新。

    有那么一个时代,人们以为物理学的大厦已经完整地建立,后世的物理学家只 需要修修补补,把某些常数测得更精确一些。做出这个预言之后没多久,开尔文就与世长辞,遗憾未能见证他当年预言的“物理学天空的两朵乌云”把看似坚固的物 理学大厦连根拔起,在废墟上挺立起新两座的高楼:相对论和量子力学。

    现在,似乎又到了物理学突破山穷水尽的时刻,又是一个后辈只能修修补 补的年代,对于一个物理学家而言,生于这个时代似乎是不幸的。可是,引力波的发现,又打开了一扇希望的大门。广义相对论和量子力学存在着根本性的矛盾,一 直是现代物理学天际线上的一朵乌云。而极大质量和极小尺度的黑洞,是研究这一乌云最佳的着手点。引力波是唯一能深入探究黑洞的研究手段,作为物理学家,生 于这个时代又是何其的幸运!所以说,引力波的探测,远远超出了检验广义相对论本身的意义。

    2015年9月14日引力波的发现是科学史上的里程碑。这一非凡的成就,凝聚了太多物理学家的心血,也是多少人魂牵梦萦的所在。我们有幸生在这个时代,见证物理学历史的重大进程。对于我们这些亲身参与 其中的科研工作者而言,更是感到无比荣幸。虽然我国目前在引力波领域的研究力量稍显薄弱,少有专门的研究团队,但是在LIGO科学合作组织中也活跃着不少 中国人的身影,包括大陆地区LIGO科学合作组织的唯一成员单位清华大学,利用GPU加速引力波暴数据分析和实现低延迟实时致密双星并合信号的搜寻;采用 机器学习方法加强引力波数据噪声的分析;分析引力波事件显著性的系统误差等。此外清华还参与构建引力波数据计算基础平台,开发的数据分析软件工具为LSC 成员广泛使用。我们特别感谢对本文有帮助的几位LSC年轻同行们:罗切斯特理工的张渊皞,西澳大学的王龑、朱兴江和储琪,墨尔本大学的孙翎,伯明翰大学的 王梦瑶,格兰萨索研究所的王刚等等。

发现引力波意味着什么?

    “爱因斯坦当初认为引力波太过微弱而无法探测,并且他从未相信过黑洞的存在。不过,我想他并不介意自己在这些问题上弄错了。”——马克斯·普朗克引力物理研究所(阿尔伯特·爱因斯坦研究所)所长艾伦(Bruce Allen)

    “通过这项发现,我们人类开启了一场波澜壮阔的新旅程:一场对于探索宇宙那弯曲的一面(从弯曲时空而产生的事物和现象)的旅程。黑洞的碰撞和引力波的观测正是这个旅程中第一个完美的范例。”——索恩(Kip Thorne)

    “引力波的直接探测实现了50年前就设定好了的伟大目标:直接探测难以捕捉的事物,更好地理解宇宙,以及,在爱因斯坦广义相对论100周年之际完美地续写爱因斯坦的传奇。” ——加州理工学院,LIGO天文台的执行官莱兹(David H. Reitze)

    “这项探测是一个是时代的开始:引力波天文学研究领域现在终于不再是纸上谈兵。”——LSC发言人,路易斯安那州立大学物理与天文学教授冈萨雷斯(Gabriela González)

    “在 《星际穿越》和《三体》中,都不约而同地将引力波选为了未来科技发达的人类的通讯手段,这也许只能是美好的幻想,但对于天文研究而言,引力波的确开启了一 扇新的窗口。吹进来的第一缕清风,就带来了一个重大的信息:极重的恒星级双黑洞系统存在并可以在足够短的时间(10亿年)内并合。这是让我们始料未及的。 谁能知道在将来的更多的探测中,LIGO和一众引力波探测器能带给我们什么样的惊喜呢?” ——马克斯·普朗克引力物理研究所、清华大学博士后,胡一鸣

     “不少亲朋好友问过我,你在研究些什么。我都这么回答:我们在找另一种光,一旦找到,意味着人类从此有了第六感,就像有了超能力,用一双天眼饱览神秘宇宙中无尽的奥妙。现在,我们,找到了!” 


  未来,把这样一套装置放在宇宙空间里,就能测量出时空变化。“天琴”计划将在2030年前后,发射3颗卫星,组成空间引力波观测系统,对宇宙中广泛存在的豪赫兹的中频引力波展开探测。

  为探索“引力波”不懈奋斗

  罗俊院士提出的“天琴”计划,是未来中国人探测引力波的关键技术之一。

2016年,位于美国的LIGO项目团队宣布发现引力波的存在,为人类观察宇宙打开了全新的视野。而事实上,中国人为了聆听这种宇宙中最神秘的琴 声,已经准备了三十多年。1983年,罗俊就来到这座防空洞里进行引力的研究实验。因为物体间的引力非常微弱,实验装置必须做得极为精确,否则设备的误差 就会把引力信号掩盖掉。

  严苛的要求,让引力测量一个试验仅准备就要几年,当时罗俊除了吃饭睡觉,其他的时间都在实验室里。  


  罗俊年轻时的照片(最右侧)记者找到一张年轻时罗俊的照片,他告诉我们,脸上的白斑并不是照片褪色,而是因为长期在洞里工作,造成的皮肤病。

  坚守科研一线 取得世界级成绩

  1998年,罗俊发表了牛顿万有引力常数测试结果,测量精度达到世界先进水平。国外专家甚至把这座位于中国的防空洞誉为“世界引力的中心”。

让罗俊欣慰的是,一批优秀学生留了下来,他们每个人都在各自的研究方向上取得世界级的成就。这个曾经寂静的防空洞又热闹了起来。  


  未来可以从空中给地球做CT

  目前,华中科技大学物理学院副院长涂良成正带着团队研发一台精密感受地球引力的仪器。未来,它可以装在飞机上,从空中给地球做CT,探索地球的内部情况,可以用来探测地底下的油气资源。

涂良成在这个项目上工作了8年,把设备的精度做到了世界先进的水平,他希望再努力十五年,用国产设备把矿产资源这样的战略信息掌握在中国人自己的手里。这意味着,基础物理研究不仅可以获得学术成就,更可以满足国家实实在在的需求。

  每天晚上吃完晚饭,涂良成还会来到实验室。他说,这并不都是为了加班,有时总觉得这里有一种特殊的引力,吸引着他。

  把一件事做成世界上最好的结果

  对于罗俊来说,在这里坚守的岁月成了自己生命中的一部分。他依旧坚信,不管是引力测量还是引力波探测,基础科学除了能带动一个国家的人才和技术的进步外,本身对一个科学家来说也有着不可抗拒的吸引力。 

  中国科学院院士罗俊:

  “人的天性有一个就是探索未知,越不清楚的地方越想去了解一下去知道。能把一件事做成世界上最好的结果,我很开心。”

    于2001年首次投入运行,2015年升级重启的激光干涉引力波天文台就是专门为探测引力波而建设的。从2015年9月开始,关于它已经观测到引力 波的传言不断,而就在前不久,又有物理学家在网上流出小道消息,终于引爆了大量媒体的报道。那么,引力波是什么?为什么探测引力波如此困难?用当前探测引 力波的途径和方法取得了哪些成果?发现引力波意味着什么?

    爱因斯坦广义相对论中有一个重要预言,如果大质量天体发生碰撞、超新星爆发等极 端宇宙事件会产生强大的引力波。这是一种时空涟漪,就像波一样传递开来,数十年内科学家一直在寻找引力波,但都没有发现。2015年9月,美国亚利桑那州 立大学有了新的发现,科学家劳伦斯•克劳斯指出激光干涉引力波天文台发现了引力波,如果这个发现属实,那么将是一次轰动性的科学事件。激光干涉引力波天文 台位于美国,从1999年建成开始,就一直在寻找引力波,近年来完成了新一轮的升级改造,目的就是发现引力波。

    对于激光干涉引力波天文台 的发现,也有科学家质疑这个发现成果,以至于有传言指出这个引力波信号可能是虚假信号。由于引力波非常微弱,探测引力波需要较高的精度,因此一个微小的误 差都会造成假信号的出现,让引力波信号失真。激光干涉引力波天文台的研究人员冈萨雷斯认为现在给出数据还太早,发布引力波被发现的消息可能会引起误解。事 实上这项工作仍然在验证之中,如果结果确定是假信号,岂不是最后变成了谎报军情?目前美国激光干涉引力波天文台的引力波发现所透露的消息不多,官方发言人 称待结果确定后会公布。

    爱因斯坦广义相对论中有一个重要预言,如果大质量天体发生碰撞、超新星爆发等极端宇宙事件会产生强大的引力波

引力波是什么?

    激光干涉引力波天文台的发现再次让引力波成为公众焦点,引力波的理论提出很早,但我们至今没有发现。引力波的基础理论来自广义相对论中的引力辐射理论,相对 论中预言了引力波会产生于强引力场的天体事件。有趣的是宇宙中的强引力场天体非常之多,比如超大质量黑洞合并,脉冲星自转、超新星爆发等都是引力波的强有 力来源。引力波与电磁波天文学又有不同的地方,比如引力波无法通过电磁辐射直接观测,引力波与宇宙中物质的相互作用是非常微弱的,可以传播至很远的宇宙空 间。

    引力波的探测目前仍然存在困难,科学家认为引力波尽管有间接的证据显示其存在,但直接证据缺乏。在过去十多年内,科学家通过毫秒级脉 冲星信号的筛查来发现引力波,但是也没有结果。对此科学家也提出了几种可能性的解释,比如引力波或位于高频段上,中子星合并产生的引力波需要利用灵敏度更 高的探测器进行观测。这也是为什么激光干涉引力波天文台每隔一段时间要升级的原因,如果在这个频段没有新的发现,就要继续升级。

超大质量黑洞合并,脉冲星自转、超新星爆发等都是引力波的强有力来源

有哪些装置可探测引力波?

    目前比较著名的要数激光干涉引力波天文台,1999年建成的时候,造价接近4亿美元,在美国路易斯安那州列文斯顿和华盛顿州的哈福德之间有两个探测器,呈现 L型排列,利用迈克耳逊干涉仪原理进行测量引力波。L型测量臂很长,达到4公里,两个测量臂垂直排列,两端各有反射镜面。科学家认为激光在测量反射臂上来 回反射,如果干涉条纹发生了变化,就说明探测到了引力波事件。2005年之后,激光干涉引力波天文台再次进行了升级,使用更高功率的激光器和避震措施,降 低误差。

激光干涉引力波天文台

    在意大利的比萨附近也有类似的装置,一个双臂探测器长度达到3公里,是欧洲测量引力波的关键设备。德国汉诺威也有引力波测量装置,两个测量臂长度为600 米。欧洲前不久还发射了LISA探路者航天器,定点在拉格朗日点L1上,距离地球大约150万公里。德国达姆施塔特是LISA探路者航天器的控制中心,探 测器主要任务目的就是寻找宇宙中的引力波,内部带有2公斤的金铂合金立方体,数量为两个,为垂直放置,如果两个立方体位置发生变化,就证明探测到了引力波 的存在。不过这个任务仅仅是欧洲空间局引力波空间探测计划的一部分,侧重于演示和验证。

    德国达姆施塔特是LISA探路者航天器的控制中心,探测器主要任务目的就是寻找宇宙中的引力波

发现引力波意味着什么?

    引力波的发现意义重大,从科学意义上看,引力波可以直接与宇宙大爆炸连接。广义相对论中预言的引力波也可以产生于宇宙大爆炸中,这就是说大爆炸之初的引力波 在137亿年后的今天仍然可以探测到。一旦我们发现了宇宙大爆炸时期的引力波,就可以揭开宇宙的各种谜团,甚至了解宇宙的开端和运行机制。因此也有这样的 说法,如果引力波的发现被确定,那么几乎可以肯定会入选诺贝尔奖。1993年的诺贝尔奖就是授予了间接发现引力波存在的科学家,当时两位科学家泰勒和赫尔 斯对脉冲星双星系统PSR1913+16进行研究,发现其系统内有两颗中子星,它们快速围绕对方公转,最终发现了引力波间接证据。

    一旦我们发现了宇宙大爆炸时期的引力波,就可以揭开宇宙的各种谜团,甚至了解宇宙的开端和运行机制

    2014 年3月,BICEP2望远镜科学家称发现了宇宙大爆炸时期产生的原初引力波,这个发现瞬间轰动了世界,科学家在宇宙微波背景辐射中探测到B模偏振,认为这 是原初引力波的证据。这个发现不仅意味着我们探测到引力波,而且还发现大爆炸时期的引力波,更令人惊讶的是根据这个理论我们甚至可以推出平行宇宙的存在。 不过,很快BICEP2望远镜的发现成果被否定,科学家验证后发现是银河系的尘埃对观测形成干扰,这个发现是错误。

    由此也可以看出,引力波对于现代天文学而言是多么重要,一旦发现引力波直接证据,我们就能够通过这个途径观测并研究它,进而揭开宇宙深层奥秘。

    中新社华盛顿2月11日电美国科研人员11日宣布,他们利用激光干涉引力波天文台(LIGO)于去年9月首次探测到引力波。这一发现印证了物理学大师爱因斯坦100年前的预言。

    早在1915年,爱因斯坦在广义相对论的基础上提出了引力波的存在,并预言强引力场事件可产生引力波,比如黑洞合并、脉冲星自转以及超新星爆发等。

    现代物理学认为,引力波是一种与电磁波不同的辐射,无法通过电磁辐射直接观测。引力波与宇宙中物质的相互作用是非常微弱的,因此可以传播至很远的宇宙空间。

    为 “捕获”引力波,美国国家自然科学基金会于上世纪90年代在路易斯安娜州利文斯顿和华盛顿州汉福德各建造了一个激光干涉引力波天文台(LIGO)。每个天 文台都有两个长达4公里的测量臂,呈L型排列。来自加州理工学院、麻省理工学院等90多所高校的1000多名科学家参与LIGO的日常探测和研究。

    美国东部时间2015年9月14日5时51分,位于利文斯顿的探测器首先传出撞击声,7毫秒后,汉福德的探测器也传出撞击声。这意味着有引力波传到了地球,并被两个天文台探测到。

    LIGO 官网11日在一份新闻稿中表示,此次探测到的引力波是由两个黑洞合并引发的。这两个黑洞的直径都在150公里左右,它们不断靠近,旋转,并最终合并成一个 黑洞。两个黑洞一个达到太阳质量的29倍,一个为太阳质量的36倍。据推测,两个黑洞的合并发生在13亿年前,合并过程中产生的引力波经漫长的传播最终抵 达地球。

    据推测,两个黑洞以1/2倍光速的速度相撞后合并。二者在合并的过程中释放出约3个太阳质量的能量,这些能量以引力波的形式辐射出去。

    LIGO的创始者之一、麻省理工学院物理学教授雷纳·维斯说,“引力波的发现漂亮地印证了爱因斯坦在100年前的预言。如果我们有机会告诉他这件事,我真想看看他脸上的表情。”

    在哥伦比亚大学物理学教授绍博尔齐·马尔卡看来,人类此前的天文学发现都好似“眼睛”,而引力波的发现意味着人类长了“耳朵”。他表示,引力波携带大量信息,它的发现可帮助科研人员更好地了解黑洞。

    学界普遍认为,引力波的发现是物理学和天文学的一项重大突破。它开启了人类探索宇宙的一扇大门,甚至可能揭开宇宙诞生早期的奥秘。

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