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张双南:从星际穿越到慧眼卫星 | 未来简说
2017-09-30 · 创客星球
LIGO实验室在2016年成功探测到引力波,验证了爱因斯坦百年前的预言,让人类对于宇宙的认知又迈进了一步。在中国也有一群科学家在做同样的事,慧眼卫星的发射让天文学家的望远镜架设到了太空中,未来我们也有机会探测到引力波,揭开星际穿越的秘密。
【如果我们能够操控引力人类就可以离开地球】
《星际穿越》是我特别喜欢的一个硬科幻的电影,它的主题是关于人类未来的命运到底会在哪里?由于各种各样的原因,人类是不可能永远在地球上面的,总有一天我们必须要离开地球。比如像《星际穿越》这个电影中展现的,由于地球的环境日益恶化,我们已经没有足够的食物了,没有办法在地球上继续生存,人类未来的命运是需要我们认真考虑的。
要把任何东西带离地球都是非常困难的,人类想整体上离开地球是不可能的,因为我们现在没有办法操控引力。如果我们能够控制引力,让引力变小,那离开地球就有可能了,今天我们做不到这一点,在可预见的未来,也不知道有什么办法能够做到这一点。但是《星际穿越》这部电影中,布兰德教授说:“目前对于引力理解不够,所以我们没有办法控制引力,没有办法让人类离开地球。但是我有一个理论,如果可以验证的话,我们就能够控制引力让人类离开地球。
【在黑洞中探究引力的秘密】
任何科学理论,我们要想应用它,就要理解它,必须要经过实验的验证。理论需要数据来去验证它。那么数据在哪里?就在一个超大质量黑洞的内部,而且这个黑洞是高速自转的。需要送男一号库伯到黑洞里面去,把量子数据拿回来,和布兰德教授的理论进行对比,完善这个理论,解决人类未来命运的问题。
天文学家们发现宇宙当中确实有这样的黑洞,但是离我们非常的远,至少有上万光年的距离,即使是能够以光速旅行,你也需要上万年才能到那个地方。但是地球已经没有足够的食物了,我们没有那么多时间等人类获得实验数据再来验证这个理论,就需要像电影里面的男一号那样很快地到黑洞去把数据拿回来。引力物理专家、加州理工大学教授索恩建议说我们可以用虫洞,不管这两点之间的距离有多远,一个虫洞就可以在这两点之间建立一个非常近的通道,通过这个通道上万光年的距离可能仅仅用几年的时间就可以达到。找到一个虫洞就可以完成这件事,这是科幻电影里的方案。
怎么找到这个虫洞呢?科学仪器听到了宇宙远处的引力波,引力波是非常难探测到的,原来48年前在那个地方出现了一个虫洞,等了48年,虫洞另外一端引力波的信号就来了,在电影里用引力波找到了一个虫洞,然后实现了星际穿越,解决了科学问题,完善了引力理论,最后拯救了整个人类。
【引力波是弯曲空间的涟漪】
在现实生活中,我们并没有真的发现虫洞,人类未来的命运也不能依靠科幻来解决,还是要通过科学研究来理解引力规律,也许能够对人类未来的命运有所帮助。去年人类真的发现了引力波。
首先,介绍一下引力波它的基本概念。按照牛顿的引力理论说,太阳和地球之间有吸引力。在爱因斯坦的广义相对论里面,由于太阳的质量很大,导致周围的空间都弯曲了,当地球在这个弯曲的空间里面运动的时候,它以为它在走直线,其实空间弯曲了,它走了个弯道回来了,所以引力就是时空弯曲直接的效果。
如果有两个质量很大的天体,每一个都导致它周围的空间弯曲了,然后他们相互绕着运动,弯曲的空间就开始向外传递,就像水面的涟漪,这里传递的是空间,这就是引力波。爱因斯坦在1916年就预言引力波的存在,但他认为人类的技术永远都不能够探测到引力波。
【LIGO探测到引力波验证爱因斯坦的预言】
探测引力波,就是听引力波的信号。LIGO实验室使用了四公里长的真空的管道,这两个管道成90度,管道内放置有激光器,所以引力波到达这个探测器的时候,一个变长,一个变短,用激光器来探测这个振动,就能够听到引力波的信号。LIGO实验室在2016年2月11号宣布听到了爱因斯坦100年前所预言的引力波,这个实验的发起人就是《星际穿越》电影的科学顾问索恩教授,实验做了几十年都没有成果,估计他等不及了,就拍了一部电影,在电影里发现了引力波。2016年LIGO项目宣布在实验室探测到了引力波,我们学术界都认为2017年的诺贝尔物理学奖应该会授予他,这个科学发现是本世纪最重大的科学发现之一,广义相对论理论最重要的预言终于得到了验证。
LIGO实验室探测的引力波是来自两个黑洞,每个黑洞的质量是太阳质量的大约三十倍,这两个黑洞相互绕转,在离我们13亿光年远的地方撞到了一起,产生了引力波。LIGO这个实验听到的是两个黑洞撞击所产生的引力波信号。
爱因斯坦广义相对论里面的黑洞是黑黢黢的一片,周围什么东西都没有,所有的东西都被它给吞到内部去了,当他们撞在一起的时候应该只会产生引力波,不太可能产生别的东西。
【从听到引力波到看到伽马射线暴】
在LIGO听到了引力波信号之前,天文学家干的所有的事情都是造天文望远镜,只能去看而听不到宇宙的任何声音。两个黑洞撞在一起产生的引力波,显然很难看到这样的信号。大家一直都期待着LIGO实验能够听到引力波信号,各种望远镜一直在时刻准备着,当LIGO实验听到引力波的时候,把望远镜转过去来看引力波信号产生的时候那个地方的天体,迄今为止我们都还没有看到。美国NASA的一个空间天文台声称看到了产生引力波时候的伽马射线暴,宣布他们真的看到了来自引力波爆发时候的伽马射线暴。这个空间天文台实际上是一组放在到了卫星上面的望远镜,目前在空间运行的功能最强大的一台伽马射线天文台,在LIGO探测到引力波信号之后,0.4秒钟就到达了他们的探测器。
伽马射线暴实际上是非常粗暴的、非常猛烈的一种爆发,比我们平常所知道的超新星爆发输出的能量还要强成千上万倍。观察到伽马射线爆发的很短时间,通常只持续几个毫秒到几秒钟的时间,在这么短时间之内所释放的伽马射线总的能量,比在这一段时间之内,宇宙当中所有的天体释放的伽马射线的能量,加起来都还要高,所以被称为宇宙大爆炸之后最剧烈的爆发现象。
如果引力波产生的时候,也产生了这么壮烈的伽马射线暴,这是非常激动人心的一件事情,NASA不但发表了一篇论文说我们看到了,还组织了一次新闻发布会来宣布他们这个重大的发现。但是欧空局的伽马射线空间天文台却表示他们没有看到伽马射线暴的任何信号。到底能否在听到引力波的时候,也能够看到伽马射线暴就成了一个悬案。
最近LIGO天文台又宣布,他们听到了一个引力波的信号,而这个声称没有看到伽马射线暴的天文台,立刻发布了一个新闻说他们这次看到了伽马射线暴。所以现在这确实是一个悬案,在学术界是一个非常重要的研究热点。
【中国首个X射线天文卫星——慧眼卫星】
下面我给大家简单地介绍一下“慧眼”卫星,也就是我担任首席科学家的硬X射线调制望远镜卫星,我们也称它为“慧眼”卫星。这颗卫星前不久刚发射运行,但是它作为我国首个X射线天文卫星,早在上个世纪九十年代就提出了,经过了很长时间的研究和技术的攻关,这个卫星终于在2011年的时候正式立项,重量2.5吨,运行在距离地面550公里的近地轨道高度上,它可以对银河系进行扫描,还可以做伽马射线暴的观测,这个卫星设计的寿命是四年,当然我们期待它将来也许能够运行十年左右。2017年6月15号,这个卫星在酒泉卫星发射基地顺利发射运行。
我们这个卫星对于伽马射线暴有个非常好的探测能力,一共有18个探测器,是国际上伽马射线波段面积最大的一个探测器,每年将会看到一到两百个伽马射线暴,运行了两个月多,我们已经看到了不少。与去年2月11号宣布看到了引力波爆发时候的伽马射线暴的望远镜相比,慧眼卫星的有效面积要大得多,所以我们具有这个能力去看LIGO探测到黑洞并合产生引力波时到底有没有伽马射线暴的产生。这颗卫星并不是设计来探测伽马射线暴的,这个功能是后来重新开发出来的。最开始的设计用来探测银河系里面的黑洞和中子星。
在这个图上某个天体活动的时候,我们看到有一个圆圈,这个圆圈大小代表它的亮度。银河系内不断有黑洞和中子星活动。这些活动是我们肉眼所看不到的,但是如果用X射线和伽马射线望远镜去看,银河系变化是非常剧烈的。为什么这些黑洞和中子星不安静呢?通常是由于它们周围会有另外一颗恒星,黑洞强大的引力会把恒星的气体拉过来,当这些气体落到黑洞附近的时候,就会产生非常强烈的X射线和伽马射线的信号。通过这种研究,我们也可以理解伽马射线暴,也就可以理解引力波的一些行为。
慧眼卫星如何活捉发脾气的黑洞和中子星?卫星先挑选一个天区进行反复的扫描,经过大概一年的时间,对银河系扫描了很多遍,银河系里面的黑洞和中子星的各种活动就能够被我们看到了。希望对于银河系里面的黑洞和中子星的性质做出非常深入的了解。
【卫星发射成功不易未来将有更先进的空间天文台】
这颗卫星在今年6月15号成功发射,发射的当天,我在现场,跑到了离发射最近的一个地方,用手机拍摄了发射的情况,当天天气很好,一直可以看到火箭升得非常得高。甚至于可以看到火箭的一级的运载和星箭的分离的情况,其实在这之前和之后我们有几次火箭发射不是很顺利,这次成功的发射非常的珍贵。
我们已经用这颗卫星做了天文的观测,看到了二十来个伽马射线暴。最近又有一次引力波爆发的事件,我们这个卫星当时也在运行,当时国外有一颗卫星宣布他们好像看到了一个伽马射线暴,但是我们的数据里面没有,也同时向天文界宣布我们就没有看到这个伽马射线暴。慧眼卫星送回了很多数据,开始了正式科学的研究,已经开始跟我们送回了很多的数据,这只是我们探索宇宙的第一步。这颗卫星在国际上只是算一个中等的天文卫星,随着我们国家航天技术的发展和国力的增强,未来肯定要建造功能更加强大的空间天文台,将来十年到二十年里面建设在国际上领先的空间X射线天文台,在我们国家的空间站上面也会做非常好的实验,我今天给大家的分享,谢谢大家!
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Q:外星人真的存在吗?
A:我觉得外星人是存在的,因为人类是进化或者演化来的,不是凭空被造出来的,在宇宙当中其他地方,完全也可能发生。宇宙当中的类似于地球这样的星球有很多,外星人应该是存在的。只不过我们不知道他们是以什么形式存在,如果有一天我们真的发现了在其他一个星球上有生命,即使我们没法和它建立联系,这对人类来讲也是极为重要的,我们终于不是孤独的在宇宙当中存在了。
Q:Elon·Musk计划在2025年把人类送上火星这事靠谱吗?
A:从技术上来讲不靠谱。但是人类总要迈出这一步的,不能因为今天没有这个技术就不去尝试和探索,而把人类就束缚在这个地球上。一定要想尽各种办法来发展技术。为人类长远的命运做好打算,这个尝试是非常值得的。
外星人已经成为了科幻电影的主角,你觉得外星人真的存在吗?
1、存在,就在我们身边
2、在遥远的外太空有外星人
3、不存在,都是编剧的YY
4、我就是外星人
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