人類直接探測到引力波!愛因斯坦百年前預測證實

2016年02月11日 23:54 新浪科技



示意圖：兩個黑洞的合併過程。科學家們認為黑洞的合併過程將產生強烈的引力波信號示意圖：兩個黑洞的合併過程。科學家們認為黑洞的合併過程將產生強烈的引力波信號



示意圖：一顆被撕裂的中子星。類似的事件將會產生劇烈的引力波信號示意圖：一顆被撕裂的中子星。類似的事件將會產生劇烈的引力波信號


仙后座A（Cassiopeia A），銀河系中已知最年輕的超新星遺迹，也是天空中除太陽外最強的射電源仙后座A（Cassiopeia A），銀河系中已知最年輕的超新星遺迹，也是天空中除太陽外最強的射電源
　　新浪科技訊 北京時間2月11日晚間消息，「激光干涉引力波天 文台」（LIGO）官方剛剛宣布：在愛因斯坦提出引力波概念100周年後，引力波被首次直接觀測到。

　　來自一個雙黑洞系統產生的引力波信號在公元2015年9月14日國際標準時間9：51（北京時間17：51）由兩座分別設置在華盛頓州和路易斯安那州的LIGO觀測台探測到。這也是人類首次直接觀測到一個「雙黑洞」系統。LIGO項目發言人Gaby González表示此次LIGO探測到的引力波信號來自兩個黑洞的合併，這兩個黑洞質量分別為29個和36個太陽質量，合併過程中有相當於3倍太陽質量的能量被以引力波形式釋放出去。

　　發布會上，LIGO項目執行主管David Reitze說：「今天，我們開啟了引力波天文學的嶄新時代。」

    什麼是引力波？什麼是LIGO？這個發現到底有多重要？這段視頻通俗易懂的給你講一遍，一定要看！




人類首次直接探測到引力波 自動播放
    時空中的漣漪

　　當愛因斯坦最早提出他的廣義相對論的時候，他徹底革新了我們原先對於時間與空間的概念理解。我們此前一直認為空間是恆定而不變的，物質和能量存 在於其中。但 愛因斯坦的理論指出空間實際上與能量和質量之間都是相互聯繫的，並且隨著時間推移空間也在發生變化。如果只存在一個質量物體，靜止地存在於時空之中（或者 處於勻速運動狀態），那麼它所處的時空不會發生變化。但如果你加入第二個質量物體，那麼這兩個物體之間就會發生相互運動，互相會向對方施加一個加速度，在 這一過程中也就將造成時空結構的改變。更加重要的是，由於存在一個大質量粒子在引力場中運動，廣義相對論指出這一大質量物體將會被加速，並釋放一種特殊的輻射：引力輻射。

　　這種引力輻射與你所知的其他任何種類的輻射都不同。它會以光速穿越空間，但它本身又是空間中的漣漪。它從被加速的物體帶走能量，這就意味著，如 果這兩個質量 物體處於相互運行的軌道之中，那麼隨著時間推移這個軌道將會逐漸收縮，這兩個質量物體之間的距離將逐漸縮短。不過不要太過擔心，對於像地球圍繞太陽運行這 樣一個系統，相對而言這兩個天體的質量還太小，而兩者之間的距離又非常巨大，因此在引力波耗散能量的條件下，這個軌道也將需要經過10的150次方年才會衰減崩潰，如此長的時間早已遠遠超過了宇宙的年齡，事實上這也遠遠超過了已知所有恆星的壽命！然而對於相互繞轉的黑洞或中子星而言，它們之間存在的軌道衰 減效應則已經被觀測到了。

　　科學家們認為宇宙中可能還存在著我們尚未探測到的更高能的事件，如黑洞的相互合併。這類事件應該會產生某種特徵信號，而這樣的信號是可以被「先進LIGO」系統捕捉到的。

　　先進LIGO探測器

　　從本質上而言，「先進LIGO」系統採用的探測手法是相當簡單而直接的，它利用了引力波輻射的本性和它最重要的性質之一。引力波會造成空間的拉伸或壓縮，其頻率和強度取決於形成這種引力 波的天文事件所具有的一系列特徵，如兩個相互繞轉天體各自的質量大小、它們兩者之間的間距以及這一系統距離地球的遠近。「先進LIGO」設施包括兩條互相 垂直的長臂，長度均為4公里。將一束激光用分光鏡分成夾角為90度的兩束，然後兩束激光分別被4公 裡外的反射鏡反射回來併發生干涉，並且這樣的反射可以來回進行多次，從而大大增加激光運行的路徑長度。由於頻率和波長完全一致，在正常情況下，這兩束激光 應該是完全相同的，但是如果存在引力波作用，則會對這兩束激光的波長頻率產生影響，從而導致兩束激光在疊加的干涉條紋上出現改變。這樣的改變將能夠讓科學 家們判斷兩個繞轉天體各自的質量大小、它們之間的間距以及這玩意系統到地球之間的距離等豐富的信息。

　　先進LIGO包括兩處設施，分別位於美國西北部（華盛頓州）以及美國東南部（路易斯安那州）。如果這兩處設施均觀測到同樣的信號，那麼我們幾乎 就能夠肯定我們的確是觀測到了引力波信號了。目前版本的LIGO系統對於質量在1倍太陽質量到數百倍太陽之間之間的兩個黑洞合併過程可能產生的引力波信號最為敏感，且其探測能力可以覆蓋距離地球數百萬光年之外——在這樣一個巨大的空間範圍內，符合條件的黑洞合併事件每年都會至少發生幾次。

　　意義重大的引力波

　　這項發現將是對愛因斯坦廣義相對論的又一次證明，後者在將近100年前便預言了引力波的存在。但引力波被首次直接探測到的意義還遠不僅於此，它還有著更加重大的意義。作為時空本身的震動，引力波常常會被人和聲波進行對比。事實上，引力波望遠鏡能夠讓科學家們在光學望遠鏡「看到」某個現象的同時「聽到」它的「聲音」。

　　有趣的是，當LIGO項目在上世紀90年代早期尋求美國政府的資金支持時，它在國會面對的最大反對者竟然是天文學家們。美國佛羅里達大學廣義相對論專家，LIGO項目的早期支持者克里福德·威爾（Clifford Will）指出了出現這種情況的原因：「當時普遍的觀點是認為LIGO這個項目與天文學之間似乎關係不大。」而反觀今天的情況，人們對此的觀點已經完全變化了。

　　歡迎來到引力波天文學的世界！

　　一、黑洞真的存在嗎？

　　正如外界所傳言的那樣，此次宣布的消息是有關兩個黑洞合併過程中產生的引力波信號。這樣的事件是宇宙中最高能的事件之一——這一過程中產生的引力波信號強度 甚至可以短暫超過整個可觀測宇宙中所有恆星產生的引力波效應之和。與此同時，來自兩個黑洞合併時所產生的引力波也是所有引力波類型中信號最清晰，最便於解譯的類型之一。

　　當兩個黑洞以螺旋形軌道逐漸相互靠攏時，合併過程便開始了，在此期間會釋放出引力波。這種引力波擁有特徵性的信號，科學家可以利用這些特徵信號解譯出合併的 兩個黑洞各自的質量大小。在那之後，實際上這兩個原先獨立的黑洞就融為一體了。法國巴黎高等學術研究所的引力理論學家迪爾巴特·達摩爾（Thibault Damour）指出：「這就有點像是你將兩個肥皂泡泡靠得很近，以至於它們最終融合一體了。而在合併的初始階段，較大的那個泡泡會發生扭曲變形。」黑洞合併的情況非常類似，而一旦合併過程完成之後，形成的單一黑洞將恢復為完美的球形。

　　探測到黑洞合併產生的引力波信號，其中的一項意義可能會出乎一部分人的意料，那就是證實黑洞的存在——至少由愛因斯坦廣義相對論中所預言的那種純粹、空曠的扭曲封閉的時空區域的確是存在的。這一信號的另外一層意義是可以讓科學家們確認黑洞的合併過程的確是與先前的理論預測相吻合的。天文學家們手裡已經掌握了 許多此類現象存在的證據，但到目前為止它們都來自對圍繞黑洞周圍存在的恆星以及高溫氣體行為的觀測，也就是間接證據，而非來自黑洞本身的直接證據。

　　美國普林斯頓大學的廣義相對論專家弗蘭斯·普雷特瑞斯（Frans Pretorius）指出：「整個科學界，包括我本人，都已經對黑洞的話題感到厭倦，我們已經對此習以為常了。然而如果你想要宣布一項激動人心的預言，那麼我們就需要看到非常紮實的證據。」

　　二、引力波是以光速傳播的嗎？

　　當科學家們將來自LIGO的觀測結果與來自其他類型望遠鏡的觀測數據進行對比時，他們檢查的第一個項目往往就是查看這兩個信號是否是在同一時間抵達的。物理學家們認為引力是由一種被 稱作「引力子」的粒子負責傳遞的，它們就像構成光線的光子一樣。而如果這些粒子也像光子那樣不具有質量，那麼引力波就將能夠以光速傳播，從而與廣義相對論 中關於引力波應當能夠以光速傳播的預言相吻合。

　　然而另外一種可能性就是引力子可能具有極小的質量，如果情況是那樣，這就意味著引力波的傳播速度可能無法達到光速。如果的確如此，那麼LIGO等設施將會發現來自遙遠天文事件中產生的引力波信號抵達地球的時間要比工作在γ射線波段等「傳統」望遠鏡的探測到信號的時間稍晚一些。如果這一情況出現，那就將構成對基礎物理學理論的重大挑戰。

　　三、時空是由「宇宙弦」組成的嗎？

　　如果能夠探測到來自所謂「宇宙弦」的引力波信號，那麼則會出現更加詭異的情況。所謂「宇宙弦」是一種假想中存在的宇宙時空彎曲中的缺陷，它可能與弦論有關，也可能無關。這種「宇宙弦」無限薄，但長度卻能拉長到宇宙尺度。研究人員認為，這種宇宙弦如果的確存在，可能會產生一些扭結；而如果其中的一根弦斷裂，則 會產生一陣引力波漣漪，這樣的信號應該是可以被LIGO這樣的設施監測到的。

　　四、中子星是完美的球體嗎？

　　中子星是大質量恆星死亡之後留下的殘骸，它們的密度極高，以至於將組成它們自己的原子中的電子壓入了原子核，並與其中的質子中和形成了中子。科學家們對於中 子星環境下的極端物理了解甚少，而引力波將能夠為我們提供這方面的全新信息。舉例來說，中子星的超強引力場理論上會使整個中子星星體成為完美的球體。但一些研究人員卻認為在中子星上可能仍然會存在「山峰」——儘管高度可能只有幾個毫米。但儘管如此不起眼，但嚴格來說，這些小「突起」的存在也的確讓這樣一類 直徑一般僅有10公里左右的高密度天體的完美球體外觀被打破了。通常情況下中子星的自轉速度是非常快的，因此任何的微小凸起都將造成時空的扭曲併產生連續的引力波信號，這種引力輻射過程會帶走一部分能量並造成中子星自轉速度的逐漸下降。

　　相互繞轉的兩顆中子星也會產生連續的引力波信號。和黑洞一樣，這兩顆中子星會最終相互靠近並融合為一體。但這一過程和黑洞合併過程存在本質不同，普雷特瑞斯指出：「你面臨大量不同的可能性，這取決於中子星的質量以及構成中子星的高密度物質能夠施加的壓力大小。」舉例而言，兩顆中子星合併后的結果可能是一個質量更大的中子星，但另外一種可能性是，這兩者合併之後立即在巨大壓力下塌縮，形成一個黑洞。

　　五、是什麼引燃了恆星爆炸？

　　當一顆大質量恆星耗盡其自身內部燃料時，它將迎來死亡的時刻，在一次巨大的爆發之後形成黑洞或中子星。天體物理學家們認為這一過程正是形成II型超新星爆發的元兇。對於這類超新星爆發過程的模擬研究目前還未能明確給出是什麼直接「點燃」了此類劇烈爆發的答案，但對於來自真實超新星爆發過程所產生引力波信號的傾聽和分析將有望幫助我們最終找出這個問題的答案。根據這些引力波信號的波形特徵、強度、頻率以及引力波信號與電磁波信號抵達時間之間的相互關係，這些數據將幫助科學家們證實或排除現有的一些理論模型。

　　六、宇宙膨脹的速度有多快？


　　宇宙的膨脹意味著那些本身正在遠離我們的遙遠星系，它們的光譜紅移值會大於真實數值，因為它們所發出的光線在抵達我們的路途中會由於空間本身的膨脹而被拉伸。宇宙學家們正是根據對遙遠星系光譜紅移值的觀測，並將這一數值與這些星系的真實距離進行對比，從而反推出宇宙的膨脹速度的。而對於這些遙遠星系的真實距離，則是根據這些星系內部出現的所謂Ia型超新星爆發亮度進行估算的。這種估算方法在天文學距離測量上被廣泛使用，但必須承認這種方法同時也存在著很大的不確定性。

　　而如果全世界各地的多個引力波探測設施都檢測到來自同一次中子星合併事件的引力波信號，那麼將這些來自不同設施的觀測數據結合起來，科學家們將有機會計算出這一信號的絕對強度，而這也將反過來讓我們得以可靠地計算出這一中子星合併事件發生地與地球之間的距離有多遠。同樣的，我們還能夠判斷出信號發來的方向， 並據此進一步找到這一合併事件究竟發生在哪一個具體的星系內部。接下來，通過對這一星系紅移值的觀測，並將其與引力波信號得到的真實距離進行對比，我們將能夠有機會在更高的精度上實現對宇宙膨脹速率的估算。（晨風）