人类首次直接探测到引力波

美国科学家2月11日宣布，第一次直接探测到引力波的存在，这一发现是物理学界里程碑式的重大成果。

此次重大发现是人类利用激光干涉引力波天文台首次探测到引力波。据介绍，2015年9月14日，在探测仪器进行升级测试过程中，利文斯顿激光干涉引力波天文台记录下一个非常明确的信号。7毫秒后，汉福德激光干涉引力波天文台记录下相同的信号。

是谁“听到”了引力波？

在北京时间2月11日晚11点30分,美国国家科学基金会就探测引力波的研究进展进行报告。LIGO科学合作组织面向全社会宣布,LIGO首次直接探测到引力波和首次观测到双黑洞碰撞与并合,科学家直接探测到了引力波!

LIGO的全称是“激光干涉引力波天文台”,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。

LIGO系统由相距1865英里(约3000公里)的两个完全相同的探测器组成。每个探测器包含由两个长度为4公里的L形真空管。科学家们通过真空管来发射激光束。每束激光到达真空管末端后,会被镜面反射,并沿相反路线返回。在同等条件下,两束激光应该在完全相同的时间抵达源头,由于干涉作用,光线不会抵达光电探测器。而一旦有引力波穿过探测器,根据爱因斯坦100年前的预测,会使两个真空管中的空间出现极其微小的拉伸与压缩,从而破坏了原有的完美平衡,使光线外泄到光电探测器上。

引力波是怎么被“听到”的？

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,并被两个探测器探测到。

LIGO项目组称,基于观测到的信号,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,质量分别是太阳质量的29和36倍。据推测,两个黑洞的合并发生在13亿年前,它们不断靠近,旋转,并最终合并成一个黑洞。合并过程中产生的引力波经漫长的传播最终抵达地球。

隔离震动

当你把这招用到极致,就是这样:

升级改造前的LIGO:反射镜仅有25厘米直径,用两根钢丝吊起。升级改造后的Advanced-LIGO,使用了远为复杂的机构,和更大、更重的反射镜,来最小化反射镜本身的晃动。

干涉

两束光,峰谷对应,得到的光峰谷分别加强,总光强更强;峰谷错位相消,则最后什么光都没有剩下。

这样,光强极为灵敏的显示了两束光的峰谷之间的细微差距。

功率倍增器

激光越强,干涉产生的图样越清晰易测量。为了保证效果,LIGO需要750千瓦的激光功率——但LIGO激光功率其实只有200瓦——为将此功率倍增,LIGO让入射的激光首先在很多镜面之间来回反射,并将反射后强度叠加后的光原路输回原光路,形成所谓“能量循环”,满足了LIGO的功率要求。

镜子

纯二氧化硅打造,每300万个光子入射,只有1个会被吸收。一个字,亮。

真空

LIGO的激光臂全部在真空腔内,其真空腔体积在地球上仅次于LHC(欧洲的大型强子对撞机),气压仅为万亿分之一个大气压。

反射

有如上所述的强激光、超洁净的镜片和真空环境,LIGO才能无所畏惧的让激光在4km臂中反射了400次再进行干涉——这极大地增加了LIGO的有效臂长,让它能以1600km的臂长,探测更低频的信号,并且得到更显著的测量结果。

早在1915年,爱因斯坦提出广义相对论,并在次年6月发表的新论文中预言,发生黑洞合并、脉冲星自转以及超新星爆发等一些强引力场事件时会产生引力波。

爱因斯坦认为,引力是因质量对于时空造成变形所致,如同石头丢进水里产生的波纹一样,而非质量之间的吸引。

打个比喻,如果将时空看成一张大橡胶膜,用小球代替天体,被放在橡胶膜上时,球的质量会把橡胶膜往下压。这时,如果在旁边再放一颗球,两颗球分别造成的“时空弯曲”会让它们逐渐滚向对方。当它们互相加速运动时,产生的“涟漪”就是引力波。宇宙中大质量天体的加速、碰撞和合并等事件都会形成强大的引力波。

由此,在物理学上,引力波被赋予如诗般的名字——宇宙中泛起的“时空涟漪”。

探测到引力波并非易事。整整一个世纪,众里寻他千百度,科学家始终未曾直接观测到它。

20世纪60年代末期,美国马里兰大学物理学家J·韦伯宣布通过共振型引力波探测器测量到引力波,引起轰动。但可惜其实验无人可重复,理论上也很难论证。他的工作激励了很多科学家加入到引力波理论研究和实验探测的行列。

1974年,就在引力波实验逐渐发展时,美国物理学家约瑟夫·泰勒和天文学家拉塞尔·赫尔斯利用射电望远镜发现了一对脉冲双星,观测其以引力波形式损失能量的数值与广义相对论所预言的吻合,由此间接证明了引力波的存在。他们也因此于1993年荣获诺贝尔物理学奖。

2014年,由加州理工、哈佛大学等几所大学的研究人员组成的BICEP2团队曾宣称利用南极望远镜找到了原初引力波,将直接验证暴胀宇宙模型,遗憾的是后来证实那只是银河系尘埃影响的结果。

日新月异的科技似乎发展到了一个节点,终于为我们拨开迷雾,在美国东部时间2015年9月14日5时51分,科研人员利用LIGO首次“听”到,来自距离地球13亿光年之外的一场引力风暴,两个巨大质量黑洞碰撞最后并合瞬间对时空的扰动,即引力波。

黑洞真的存在吗?

引力波以光速传播吗?

时空由宇宙弦构成吗?

中子星凹凸不平吗?

什么原因造成了恒星爆发?

宇宙膨胀速度有多快?

2月11日,LIGO科学合作组织向世界宣布人类首次直接探测到了引力波,而中国空间太极计划在此时揭开面纱,并非“亦步亦趋”。它有着更大的雄心:去聆听那些频率更低的引力波,探索更为丰富的科学内容。

实际上,2008年,中科院就发起了空间引力波探测计划,在中科院多个研究所和院外高校科研单位的共同参与下,成立了中国科学院空间引力波探测论证组。目前,已形成了一支以中国科学院科研人员为主,胡文瑞、吴岳良院士为首席科学家的空间太极(Taiji)计划工作组。

中科院国家天文台研究员张承民称,中国在贵州建设500米口径射电望远镜(FAST)方面,把引力波作为探测目标之一。也就是说,后来引力波这项计划就转变成为FAST的科学目标之一,它未来可以通过监测毫秒脉冲星的空间位置变化,检验引力波的直接证据。

此前在上海建成的65米口径射电望远镜,以及现在正在新疆筹建的110米口径射电望远镜,都提出把脉冲星引力波监测作为其科学目标之一,但是它们的灵敏度和综合性能目前还达不到美国和澳大利亚射电望远镜的探测能力。在用射电望远镜探测引力波方面,美国、欧洲和澳大利亚目前是走在我们前面的。

FAST项目建成之后我们有可能实现追赶并赶超,按照设计要求, FAST的灵敏度和精度会比国际上现有最好的射电望远镜高3到5倍,它未来可能会成为引力波探测与研究的利器。因此,在未来几年,我们可以耐心等待来自中国的发现。

除此之外,中国加入了澳大利亚和南非正在建设的平方公里大型射电望远镜阵列(SKA)计划。SKA完成后将是世界上灵敏度最高的望远镜阵列,未来可能在探测引力波方面也会具有很高的权威性和说服力。

LIGO的发现让中国科学家对中国引力波研究充满期待，我国目前引力波探测项目包括：

中科院提出的“空间太极计划”；

中山大学领衔的“天琴计划”；

中科院高能物理研究所主导的“阿里实验计划”。

最前沿的科学在初期看上去都像魔法。科学家说,引力波离应用阶段还很远。包括时空旅行这样的科幻设想还早的很,而利用引力波的宇宙通信,目前看也只不过仍是一种微弱的可能。不过没关系,我们需要把眼睛睁得更大,引力波的发现无疑打开了探索我们头顶星辰的一扇大门,必将让人类感知到更多未曾想象的世界。

有引力波这一发现,人类将开始不可思议的新探索:探寻宇宙扭曲的一面——由扭曲时空生成的天体与现象。而检验爱因斯坦相对论、探测黑洞质量、测量宇宙距离、完善大爆炸理论等,都有待对引力波的进一步研究。这无疑提升了人类的认知,开启天文新时代。