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原标题:美科学家探测到引力波 印证爱因斯坦百年前预言

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。

 

1、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。

2、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。

PSR1913+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。

3、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!” ——马克斯·普朗克引力物理研究所博士生,明镜

(以上资料来源于“赛先生”微信公共号,作者:明镜、胡一鸣)

 

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