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引力波天文学,一个新时代的开始

在过去的十年中,一个新的天文学分支正悄然地进行着:引力波天文学。它与其他天文观测非常不同,它并不是用天文望远镜来观测这个宇宙,一个引力波探测器发射一束激光,并向互相垂直的两臂传播再反射回来,当激光返回相遇时,我们会得到干涉图形。这样的一个装置叫做激光干涉引力波天文台(LIGO),并在2002 - 2010年运行。之后关闭了五年进行升级,直到2015年9月重新开启运作。


1916年,爱因斯坦在发表广义相对论后不久便发表了以上这篇论文预言了引力波的存在。


爱因斯坦在1916年发表了一篇论文,并预言了引力波的存在,这是爱因斯坦广义相对论唯一未被验证的预言。然而,就在一百年后的今天,引力波被探测到了!!我想他老人家如果听到来自华盛顿的这个消息,表情应该是这样的:




那么什么是引力波?为什么我们花费了100年的时间的才得以探测到它?为什么全世界的物理学家几乎都为这个消息疯狂,它有多重要?


什么是引力波?


在爱因斯坦发表广义相对论之前,人们对时间和空间的理解与现在的非常不同。其实它们并不是固定、不变的量,它们是相互依赖的,同时也依赖于在它们之中的物质和能量,随着时间的流逝而改变。


如果你在时空中放入一个单一的质量,并静止在时空之内(或者让它以恒定的速度运行),那么时空并不改变。但是如果你不想事情这么无趣,你在时空内另外放进去一个质量,那么两个质量会相对运动,并且会互相加速,那么时空的结构就会被改变了。特别是,如果你有一个质量较大的物体在引力场的作用下运动,根据广义相对论的性质这就意味着该物体会加速,并且会发出一种全新的辐射:引力辐射。



我们的太阳和地球是如何弯曲时空的,图中的绿色格子代表了时空本身。广义相对论描述了一个大质量物体如何弯曲时空,弯曲的时空告诉地球如何运动。爱因斯坦的理论也预言了引力波的存在。


引力辐射跟其它的辐射非常不同,它以光速在空间中传播,但是它自己其实是时空结构的涟漪。它从加速的物体携带走能量,这就意味着如果两个质量互相作圆周轨道运动,轨道就会随着时间衰变。举个例子,像太阳和地球这样的系统,由于两个天体的质量(相对地)非常小,以及它们之间的距离较远,这大概需要10的150次方年才会衰变,比宇宙的年龄还要大很多很多,这对我们来说是个好消息,否则地球就会由于引力波携带走能量而与太阳撞上。但是像黑洞或者中子星系统,情况就非常不一样了,它们之间的轨道衰变早就被观测到了。



一个脉冲星围绕着它们伴星,引力波引起的时空涟漪。(图片来源:ESO/L.Calcada)


在1974年的时候,美国物理学家泰勒和赫尔斯发现了两个中子星组成的互相旋绕的双星系统。其中一颗是脉冲星,利用它精确的周期性脉冲信号,他们计算出了该双星系统绕其质心公转时它们的轨道半长轴以及周期。由于引力波会带走能量,所以轨道半径和周期也会变短,理论和观测精确的符合了,从而间接地证实了引力波的存在。但问题是,我们从来没有直接地探测到引力波。科学家相信在宇宙中还存在着更强的系统,比如两个黑洞互相公转最后合并在一起,而黑洞间的合并信号便是引力波的产生,LIGO的升级就是为了寻找这样的信号。


在多年的努力下,LIGO团队的科学家终于找到了这样的信号!!!基于观测到的信号,科学家估计这两个黑洞分别为36和29太阳质量的黑洞,最终合并为62太阳质量的黑洞并辐射出引力波,这样一个事件发生在13亿年前,并在2015年9月被LIGO探测到。在两个黑洞合并的时候,大约3倍的太阳质量在1秒内被转换为引力波,辐射出的峰值功率是整个可观测宇宙的电磁辐射强度的50倍!下面的视频模拟两个合并的黑洞并辐射出引力波。



LIGO的运作原理



LIGO的实验装置。


LIGO会发射两束激光往互相垂直长度为4公里的长臂,两束激光会不断地来回反射200次来增加路径长度,最终回到分束器并产生干涉图案。在正常的情况下(也就是没有引力波的通过),两束激光的路径长度一样,干涉图案看起来并没有什么异常。但是,一旦引力波通过,干涉图案就会发生变化,从这样微小的变化就可以推导出产生引力波系统的两个质量,它们之间的距离以及离我们有多远。(文末的视频会帮助你更好的了解LIGO的运作原理。)


LIGO在全世界各地都建立了探测器。但是此次主要在运作的是位于美国华盛顿Hanford和路易斯安那州Livingston的探测器。




如果两个探测器看到了同样的变化,就表示我们就探测到了引力波!Livingston记录该事件比Hanford早7毫秒。下面这个图显示了两个探测器观测到了几乎一样的引力波信号



从图中我们可以看出,Hanford(上)和Livingston(中)接收到的信号和广义相对论预言的波形符合的相当好。图中的Y轴表示应变,用符合‘h’表示,其物理意义是引力波引起的时空畸变和平直时空的度规之比。X轴则代表了时间。图中的(下)比较了两个探测器的结果,我们可以确定它们探测到的是同一个事件。


看到这样的结果,LIGO科学家的反应应该都是:WOW!!!我们不仅看到了来自两个合并黑洞的引力波,同时我们也听到了引力波的声音!呵呵,有点不可思议吧。点开下面的视频,你就能清晰的听到引力波的声音了!



听到了两次来自黑洞合的声音了吗?这样的声波频率跟我们探测到的引力波频率完全一样。当两个黑洞旋转靠近的时候,引力波的频率就会增加。科学家称这样的声音为“啾啾”,因为一些事件产生的引力波听起来就像是鸟儿的啾啾声。


引力波的频率和强度区域几项因素:它们是从哪里来的,它们的质量,它们之间的距离以及离地球的距离。


为什么需要100年?


爱因斯坦在预言了引力波之后,他并不认为我们可以探测到引力波,因为引力波是在是太微弱了。多微弱?上面我们提到过了引力波的强度h,它定义为


公式中的M代表黑洞的质量,r代表距离,如果我们把数字带进去就会得到一个极小的应变,10的负21次方。尽管在黑洞合并时释放出的引力波强度是如此之大,但是经过13亿年的传播,其强度变得微乎其微。


我们知道如果引力波传播通过地球,就会造成空间拉升和挤压(在下面视频中可以清晰的看到引力波如何影响地球周围的时空,当然视频比较夸张是为了更清楚的呈现这样一种效应)。而如此之小的应变就意味着当引力波通过LIGO探测器的时候,造成探测器臂的变化为质子直径的千分之一。这样的一种变化是极度小的,探测器需要非常灵敏才可能探测到这样微小的变化。在下面视频的2:15秒开始,你就可以清楚的知道这样的变化有多么的微不足道。



1916年爱因斯坦发表了广义相对论,并在理论上预言了引力波的存在。100年后的今天,广义相对论再一次得到验证,这是引力波的第一次直接证据。


为什么发现引力波如此重要?它证明了爱因斯坦的广义相对论相对论是正确的,引力辐射是真实存在的。合并的黑洞不仅产生引力波,并且可以被探测到。此次发现的重要性堪比伽利略第一次用望远镜对准了夜空,至此天文学开始了一个全新的时代,在不依赖天文望远镜的情况下,我们可以观测黑洞,中子星,以及宇宙中另外一些不可见的物体。人类首次以一个全新的视角去探索宇宙。这是一次伟大的胜利!感谢那些日以继夜工作的科学家!

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