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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

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引力波的发现

2018-05-29 22:57:00

  13亿年前,在距离地球非常非常遥远的地方发生了一件大事,也可以算是宇宙中的一个大灾难。不过,它与地球上发生的任何灾难都不同:它静悄悄地发生,也不发出耀眼光芒,即使你就在它附近,也不会看见光亮。

  发生的事情是两个黑洞相撞了。它们非常巨大,一个有36个太阳的质量,另一个有29个太阳的质量。它们在宇宙中快速地绕着共同的中心旋转着,并逐渐靠近,就像是被吸进了下水道的漩涡。黑洞的巨大引力,还会使周围的空间发生变形和扭曲,随着它们的旋转,时空也被猛烈地拖拽,从而释放出一阵阵引力波。

  引力波极难探测

  引力波非常微弱,它的强度与天体速度v和光速c的比值(即v/c)的5次方成正比。而绝大部分天体的速度都远远低于光速,因此v/c的值非常小,远小于1,v/c的5次方就更是极端小了。此外,引力波的强度还与距离的平方成反比,这就导致大多数遥远星体发出的引力波,即使开始时的能量比较强,到达地球附近时也已变得非常微弱。

  这两个原因使得引力波极难被直接探测到。前文提到的根据双中子星周期变化来判断引力波的存在,是间接证明引力波存在,而不是直接探测到引力波。第一位宣称直接探测到引力波的人是美国物理学家韦伯。他使用一根巨大的固体金属棒(“韦伯棒”)来探测引力波,其原理是引力波传过金属棒时,会引起金属棒共振,导致输出的信号被放大,从而可能观测到引力波。尽管韦伯宣布自己探测到引力波,但此后的其他学者采用韦伯的方案,却无一人探测到引力波,因此人们认为韦伯宣称的结果其实是仪器的问题,而不是由引力波导致的。直到现在,某些研究人员运作的类似仪器也只能探测到非常强烈且非常近的引力波辐射,而无法探测到更遥远的天体发射出的引力波。

  光的干涉与LIGO项目

  随着韦伯棒的失败,更先进的直接观测方案开始出现。20世纪70年代,麻省理工学院的韦斯开始计划建造激光干涉仪来探测引力波。几乎与此同时,加州理工学院的索恩和德雷弗也开始合作进行此类干涉仪的研制。

  激光干涉仪的原理其实很简单。众所周知,光是一种波,具有波峰和波谷。我们可以将同一个光源发出的光分为两束,然后让它们再度汇合。如果这两束光经过路程的差值等于它们波长的整数倍,那么波峰和波峰就会叠加在一起,形成更强的光;如果差值等于它们波长半整数的奇数倍(比如1.5倍、2.5倍),其中一列波的波峰与另一列波的波谷叠加,二者的强度互相抵消,光就变暗了。著名的杨氏双缝实验就体现了这一原理,在屏幕上形成了明暗相间的条纹图案。

  激光干涉引力波探测器的基本原理与上文所说的类似,只是普通的光替换为激光,因为激光具有强烈的准直性,在传播程中光束大小的变化几乎可以忽略不计。探测器遵循以下的原理:激光发射器发射出的激光被分光镜(半透明的半透镜)分为互相垂直的两束,分别在两个高度真空的管道中传播,经过两块镜面的多次反射,进入探测器,两束光会发生叠加(“干涉”)并产生条纹。

  如果我们调整两块镜子之间的距离,就能让干涉条纹消失。而当引力波传播过来时,空间随之产生波动,导致镜子和探测器之间的距离也产生波动。两条互相垂直的管道里的空间伸缩或扭曲程度不同,导致激光在两个臂中经过的距离也不同,两束激光形成的干涉条纹随之发生变化,从而被记录下来。研究人员通过分析干涉条纹的变化,可以直接判断出引力波的强度与变化规律。

  在完成原理的论证之后,韦斯、索恩和德雷弗分别申请基金建造这类干涉仪,其名称为“激光干涉引力波天文台”,英文缩写为LIGO。相关部门要求2个小组共同建造,因此这3位科学家也就成为了LIGO项目的奠基人(索恩和韦斯因此获得了2017年的诺贝尔物理学奖,而德雷弗因为不幸于2017年3月病逝而未获奖)。1984年,LIGO项目正式启动,并于1994年获得约4亿美元的资金资助。2002年,LIGO项目建成,并逐步开始运行,但由于当时精度不够,在很长一段时间内实验都没有获得成果。2004年,LIGO开始升级,后于2015年完成升级,正式运行。如今的LIGO由两个完全相同的装置构成,分别位于美国华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿,彼此相距约3000千米,而每条LIGO的激光管道的长度为4千米。

  LIGO的输入激光功率开始是20瓦,经过分光镜后变为700瓦,最后进入探测器时已增强为10万瓦。一般而言,LIGO对频率在100到300赫兹范围内的引力波最敏感。但在完成升级后,灵敏度提高到原来的3至5倍,对于60赫兹以下的低频率引力波的灵敏度也已提高了10倍以上。目前所知,LIGO计划探测的引力波主要来自以下几类现象:黑洞和黑洞并合、中子星和中子星并合、黑洞和中子星并合、超新星不对称爆发等。

  终于捕捉到引力波

  前文提到,致密双星在围绕共同的中心运动时,会辐射引力波并导致轨道收缩。但从系统形成到并合的大约几亿年时间里,绝大部分引力波由于强度、频率太低而无法被直接探测到。理论计算表明,双致密星系统只有在即将并合(旋进阶段)、并合时与并合后(铃宕阶段)的极短时间内,发出的引力波的频率才能够被LIGO敏感察觉。这是因为引力波频率是双星绕转频率的2倍,要想探测到100赫兹左右的引力波就要求双星绕转频率达到50赫兹左右,即0.02秒左右完成一次绕转。致密双星系统只有到即将并合的刹那间,才会绕转这么快。并合后的快速震荡(铃宕),也会发出这个频率的引力波。因此,只要有足够高的灵敏度,就能探测到几十亿光年内发生的双致密星并合事件。

  2015年9月14日9时50分45秒(协调世界时),位于美国汉福德与利文斯顿的2个LIGO探测器同时观测到一次引力波事件。这次引力波事件从南半球上空穿入地球,到达探测器,它的频率从35赫兹到250赫兹,导致的空间变化程度最大值为10-21,相当于1亿千米的长度内产生一个原子大小(10-10米)的变化,这也就可以让我们明白直接探测到引力波为何会如此的艰难。

  我们知道,LIGO的管道只有4千米,那么它是如何探测到如此微小的空间变形的呢?答案是镜面的反射,两块镜面间的不断反射使得激光途经的距离远超4千米,从而探测到了极其微小的空间变形。

  经过严密的分析,2016年2月11日,LIGO小组正式宣布人类首次直接探测到引力波,他们将这个引力波事件命名为 GW150914(GW是引力波的英文缩写,150914表示这是2015年9月14日发现的)。同时,LIGO科学合作组确认,这是距离我们约13亿光年的黑洞和黑洞并合事件。

  LIGO科学合作组的分析表明,这两个黑洞的质量分别约为36个太阳质量和29个太阳质量,并合后形成中心黑洞的质量约为62个太阳质量,在此过程中损失了约3个太阳的质量。那么这些质量去哪里了呢?实际上,这些损失的质量转变为了引力波的能量。根据爱因斯坦的质量-能量公式(能量等于质量乘以光速的平方,E=mc2),损失的质量会变为能量。这次引力波的功率最强时达到了3.6×1049 瓦,比最亮的超新星还亮一千亿倍,甚至比最亮的伽玛射线暴也要亮得多。

  上述发现直接促使引力波走上天文学的舞台,开辟了天文学研究的新纪元。此外,这一结果还证明:超过25个太阳质量的恒星级黑洞确实存在且会形成双黑洞系统。此后,LIGO又发现3例黑洞与黑洞并合后产生的引力波事件。在2017年8月14日发现的引力波事件中,欧洲的引力波探测器“室女座”(Virgo)首次参与观测,并与LIGO联合,提高了引力波源的定位精度。而就在3天后的8月17日,LIGO发现了一个更为轰动的引力波(详见《揭开宇宙奥秘的“钥匙”》一文)。

  历史总是存在着有趣的“巧合”。爱因斯坦于1916年证明引力波存在,而就在同一年,他还提出了激光的原理;过了大约50年,人类研制出激光发射器;2015年(距离爱因斯坦提出广义相对论100年),人类利用激光技术,首次探测到了爱因斯坦从理论上证明存在的引力波。2016年2月11日,在爱因斯坦得到引力波的精确性质后整整一个世纪,LIGO小组正式宣布人类首次直接探测到了引力波。

本文来自《科学24小时》

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