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今夜我们听到了来自宇宙的声音:引力波

美树嘉文艺志2018-04-14 12:00:42





 

请沉思一下这件事。

 

这是大约十亿年前的一次黑洞撞击。两个黑洞,分别大约29个和36个太阳质量,以光速的一半撞在一起。

 

即使两个质量一般的人在某个夜晚剧烈撞击,随之迸发的激昂呻吟以及楼板振动也可能多年后让人记忆犹新。

 

由此可以想见这样两个黑洞撞击产生的引力波将震荡整个宇宙。

 

这不是浮夸的比喻。它们在某个瞬间产生的撞击能量确实大约是全宇宙恒星总和的50倍。并且,于2015年9月14日,这个能量到达了地球。

 

只是这么长的时间和距离后,声音和振动几乎都没有了。就像你只能跟人描述多年前有那么回事,别人也能理论上理解和相信,却不能对那次振动感同身受。

 

幸运的是,在四公里大的仪器上,人们新近接收到了这次黑洞撞击产生的10^-18米(大约一个电子大小)的扰动,并精确记录了下来。

 

这个事情当然会令科学家们彻夜难眠,甚至可以认为人类理解宇宙打开了一扇新大门。

 

果壳网在第一时间推出了一篇“科普文”并迅速传播,不过遗憾的是,除了展现其文艺特色和卖弄几个名词之外,并不如下面新浪新闻这篇文章来得有帮助,更不如他们自己早期一些牛人一样确实能把问题深入浅出讲明白。


出于审慎,我们也同时附加一点发现引力波之前,针对“传言”而来的另外一些看法。

 


点击页末图片,可得一篇述事清晰而有趣的科普文:《星际穿越 ▏酷炫烧脑的五维空间是怎么来的?》;点击页末“阅读原文”,可得浅显视频《引力波探测证实!人类首次直接观测双黑洞系统》。



——美树嘉文艺志

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北京时间2月11日晚间消息,“激光干涉引力波天 文台”(LIGO)官方刚刚宣布:在爱因斯坦提出引力波概念100周年后,引力波被首次直接观测到。


来自一个双黑洞系统产生的引力波信号在公元2015年9月14日国际标准时间9:51(北京时间17:51)由两座分别设置在华盛顿州和路易斯安那州的LIGO观测台探测到。这也是人类首次直接观测到一个“双黑洞”系统。LIGO项目发言人Gaby González表示此次LIGO探测到的引力波信号来自两个黑洞的合并,这两个黑洞质量分别为29个和36个太阳质量,合并过程中有相当于3倍太阳质量的能量被以引力波形式释放出去。


发布会上,LIGO项目执行主管David Reitze说:“今天,我们开启了引力波天文学的崭新时代。”


两个黑洞的合并过程。科学家们认为黑洞的合并过程将产生强烈的引力波信号


一颗被撕裂的中子星。类似的事件将会产生剧烈的引力波信号


仙后座A(Cassiopeia A),银河系中已知最年轻的超新星遗迹,也是天空中除太阳外最强的射电源



♢  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。




欢迎来到引力波天文学的世界!



♢  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。


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。



♢  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。



♢  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。



♢  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。



♢  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。



♢  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。


来源:新浪科技




在引力波被证实之前,人们怎么说?




引力波是爱因斯坦广义相对论最重要的预言之一,而于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(LIGO)就是专门为探测引力波而建设的。从去年9月开始,关于它已经观测到引力波的传言不断,而就在前几天,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。


Nature网站为大家梳理了这些传闻中的事实和谣言,并预测何时会有官方宣布发现引力波。



♢  传言讲了些什么?


根据爱因斯坦的广义相对论,超大规模的天文事件,如两个黑洞或中子星的合并,会在时空中产生波纹,即引力波。


传言最初出现在九月,美国亚利桑那州立大学的宇宙学家劳伦斯·克劳斯(Lawrence Krauss)发了一条推特称LIGO已经观测到引力波,而最近出现的最具重量级的传言来自理论物理学家卢博什·莫特尔(Lubo? Motl)写的一篇博客,他称,花费了2亿美元升级的新LIGO自去年9月开始收集数据以后,其两个探测器都已发现了两个正在合并的黑洞产生的引力波。


普林斯顿大学研究广义相对论模拟的专家弗兰斯·比勒陀利乌斯(Frans Pretorius)说:“如果消息是真的,这将是我们人类以最直接的方式观测黑洞。”



♢  那直接参与LIGO实验的物理学家怎么说?


他们口风很紧。“我们还在收集数据,对早期数据的分析也没有完成。”路易斯安那州立大学的物理学家,同时也是LIGO发言人的加布里埃拉·冈萨雷斯(Gabriela González)说。


冈萨雷斯说,第一期数据采集于1月12日结束,但对这4个月探测数据的分析结果最早也要到二月才能公布。这期实验结束后,LIGO马上又会关闭,进入又一次为期9个月的升级,以进一步提高灵敏度。再次升级重启之后,它将与欧洲的同类探测器“先进Virgo”(Advanced Virgo)联合观测。



♢  LIGO有可能已经观测到引力波了吗?


这是有可能的。LIGO的干涉仪有4千米长的真空管,在真空管中安放了反射镜来反射激光。引力波经过时,会拉伸和压缩空间,使真空管的长度发生微乎其微的改变,这种变化可根据激光干涉条纹探测出来。




广义相对论预测两个距离很近的大质量天体在互相绕转时距离会越来越近,一开始速度很慢,然后越来越快,直到最后合并在一起,同时会扭曲周围的时空,并把扰动往四面八方传递。


以LIGO探测器目前的灵敏度,只能观测到10赫兹以上的引力波,所以如果他们观测到了引力波信号,这信号必定来自于黑洞互相绕转频率超过每秒10次的时候,即合并前的最后阶段。模拟显示,如果把这种情况产生的引力波以声波形式播放出来,听起来会像鸟鸣声。


“如果广义相对论是正确的,那么信号就应该与这一模一样。”比勒陀利乌斯说。他在2005年首次完成了黑洞合并的全计算机模拟,详细预测了该现象产生的引力波的大小和波形。


♢  所谓“信号”,会不会只是来源于一个误差?


这也是可能的。LIGO探测器花了很大力气来减少无关的振动产生的误差,但他们的团队仍需谨慎分析,以防所谓的“信号”只是场空欢喜。哪怕是附近路过的一辆卡车,也可能会成为误差来源。


不仅如此,实验初期所观测到的“信号”,说不定还有可能是来自高层的“阴谋”。LIGO团队中的三名成员有秘密操纵反射镜的权限,他们可以人为制造出“天体现象”的特征,直到其余成员准备宣布“新发现”之前才会公布这到底是不是他们制造的假信号,这一过程称为“盲注入”(blind injection),可以检验装置是否正常有效地运行。LIGO在此前2007-2010年的运行阶段就经历过两次这样的演习。


但去年9月份发推的物理学家克劳斯说,他听到的消息称,LIGO在正式运行前的试运行阶段就看到了信号,那时候正式的数据收集尚未开始,所以也没有盲注入过程。(但Nature向克劳斯询问时,他表示自己也不知道更多的详情了。)


但LIGO的研究者并不会马上开始分析这么早期的数据。LIGO数据分析组组长,佐治亚理工学院的物理学家劳拉·卡多纳蒂(Laura Cadonati)说,他们需要先对数据产生足够的了解,知道各种类型的虚假信号出现的频率之后,才能开始着手分析如此早期的信号。


是否有这样一段时期,在不会有盲注入的情况下,两个探测器同时出于工作状态? LIGO合作组拒绝回答。



♢  LIGO的物理学家们对这些流言怎么看?


冈萨雷斯对此有些恼火。她说:“我担心这会给广大民众和媒体带来过高的期望。”


但卡多纳蒂说,她觉得这些流言蜚语反倒能成为一针强心剂。“消息走漏发生得如此之早,说明这就是我们必须学会适应的情况。它意味着我们正在进行的研究吸引了很多人的关注。”


如果真的探测到了引力波,这将是里程碑式的事件。LIGO合作组的一员,西澳大利亚大学的物理学家戴维·布莱尔(David Blair)说:“这意味着什么呢?这就好比我们人类之前都是聋的,现在却忽然能够听到来自宇宙的声音。”


来源:环球科学







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