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[科研前沿]人類(lèi)首次直接探測(cè)到了引力波

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時(shí)間:2016-02-18 14:03

國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間2月11日上午10點(diǎn)30分(北京時(shí)間2月11日23點(diǎn)30分),美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)召集了來(lái)自加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院以及LIGO科學(xué)合作組織的科學(xué)家在華盛頓特區(qū)國(guó)家媒體中心宣布:人類(lèi)首次直接探測(cè)到了引力波!

 

人類(lèi)首次直接探測(cè)到了引力波

 

科學(xué)家為直接探測(cè)到引力波的消息歡呼(從左到右分別為:Gabriela Gonzalez, Rainer Weiss和Kip Thorne)

這次探測(cè)到的引力波是由13億光年之外的兩顆黑洞在合并的最后階段產(chǎn)生的。兩顆黑洞的初始質(zhì)量分別為29顆太陽(yáng)和36顆太陽(yáng),合并成了一顆62倍太陽(yáng)質(zhì)量高速旋轉(zhuǎn)的黑洞,虧損的質(zhì)量以強(qiáng)大引力波的形式釋放到宇宙空間,經(jīng)過(guò)13億年的漫長(zhǎng)旅行,終于抵達(dá)了地球,被美國(guó)的“激光干涉引力波天文臺(tái)”(LIGO)的兩臺(tái)孿生引力波探測(cè)器探測(cè)到。

 

人類(lèi)首次直接探測(cè)到了引力波

 

兩臺(tái)探測(cè)器記錄到的波形

探測(cè)到的引力波信號(hào)初始頻率為35赫茲,接著迅速提升到了250赫茲,最后變得無(wú)序而消失,整個(gè)過(guò)程持續(xù)了僅四分之一秒。位于利文斯頓的探測(cè)器比位于漢福德的探測(cè)器早探測(cè)到7毫秒,這個(gè)時(shí)間差表明引力波是從南部天區(qū)傳來(lái)。

什么是引力波?

在物理學(xué)上,引力波是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論所預(yù)言的一種以光速傳播的時(shí)空波動(dòng),如同石頭丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋一樣,引力波被視為宇宙中的“時(shí)空漣漪”。通常引力波的產(chǎn)生非常困難,地球圍繞太陽(yáng)以每秒30千米的速度前進(jìn),發(fā)出的引力波功率僅為200瓦,還不如家用電飯煲功率大。宇宙中大質(zhì)量天體的加速、碰撞和合并等事件才可以形成強(qiáng)大的引力波,但能產(chǎn)生這種較強(qiáng)引力波的波源距離地球都十分遙遠(yuǎn),傳播到地球時(shí)變得非常微弱。

 

人類(lèi)首次直接探測(cè)到了引力波

 

根據(jù)廣義相對(duì)論,該雙星系統(tǒng)會(huì)以引力波的形式損失能量,軌道周期每年縮短76.5微秒

1974年物理學(xué)家約瑟夫·泰勒(Joseph Hooton Taylor, Jr)和拉塞爾·赫爾斯(Russell Alan Hulse)發(fā)現(xiàn)了一顆編號(hào)為PSR B1913+16的脈沖星,他們發(fā)現(xiàn)該脈沖星處于雙星系統(tǒng)中,其伴星也是一顆中子星。根據(jù)廣義相對(duì)論,該雙星系統(tǒng)會(huì)以引力波的形式損失能量,軌道周期每年縮短76.5微秒,軌道半長(zhǎng)軸每年減少3.5米,預(yù)計(jì)大約經(jīng)過(guò)3億年后發(fā)生合并。

自1974年,泰勒和赫爾斯和對(duì)這個(gè)雙星系統(tǒng)的軌道進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè),觀測(cè)值和廣義相對(duì)論預(yù)言的數(shù)值符合得非常好,這間接證明了引力波的存在。泰勒和赫爾斯也因這項(xiàng)工作于1993年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

共振型引力波探測(cè)器

 

人類(lèi)首次直接探測(cè)到了引力波

 

韋伯教授在調(diào)試他的引力波探測(cè)器(1965年)

上世紀(jì)60年代,馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家韋伯(Joseph Weber)首先提出了一種共振型引力波探測(cè)器。該探測(cè)器由多層鋁筒構(gòu)成,直徑1米,長(zhǎng)2米,質(zhì)量約1000千克,用細(xì)絲懸掛起來(lái)。當(dāng)引力波經(jīng)過(guò)圓柱時(shí),圓柱會(huì)發(fā)生共振,進(jìn)而可以通過(guò)安裝在圓柱周?chē)膲弘妭鞲衅鳈z測(cè)到。韋伯曾經(jīng)在相距1000千米的兩個(gè)地方同時(shí)放置了相同的探測(cè)器,只有兩個(gè)探測(cè)器同時(shí)檢測(cè)到相同的信號(hào)才被記錄下來(lái)。1968年,韋伯宣稱(chēng)他探測(cè)到了引力波,立刻引起了學(xué)界的轟動(dòng),但是后來(lái)的重復(fù)實(shí)驗(yàn)都一無(wú)所獲。

激光干涉引力波探測(cè)器

 

人類(lèi)首次直接探測(cè)到了引力波

 

兩臺(tái)孿生引力波探測(cè)器分別在華盛頓州的漢福德(左)和路易斯安那州的列文斯頓,彼此相距3000公里

上世紀(jì)70年代,加州理工學(xué)院的物理學(xué)家萊納·魏斯(Rainer Weiss)等人意識(shí)到用激光干涉方法探測(cè)引力波的可能性。引力波的探測(cè)對(duì)儀器的靈敏度要求非常高,要能夠在1000米的距離上感知10^-18米的變化,相當(dāng)于質(zhì)子直徑的千分之一。直到上世紀(jì)90年代,如此高靈敏度所需的技術(shù)條件才逐漸趨于成熟。

1991年,麻省理工學(xué)院與加州理工學(xué)院在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)的資助下,開(kāi)始聯(lián)合建設(shè)“激光干涉引力波天文臺(tái)”(LIGO)。LIGO的主要部分是兩個(gè)互相垂直的干涉臂,臂長(zhǎng)均為4000米。在兩臂交會(huì)處,從激光光源發(fā)出的光束被一分為二,分別進(jìn)入互相垂直并保持超真空狀態(tài)的兩空心圓柱體內(nèi),然后被終端的鏡面反射回原出發(fā)點(diǎn),并在那里發(fā)生干涉。若有引力波通過(guò),便會(huì)引起時(shí)空變形,一臂的長(zhǎng)度會(huì)略為變長(zhǎng)而另一臂的長(zhǎng)度則略為縮短,這樣就會(huì)造成光程差發(fā)生變化,因此激光干涉條紋就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

兩臺(tái)孿生引力波探測(cè)器分別在華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的列文斯頓,彼此相距3000千米。只有當(dāng)兩個(gè)探測(cè)器同時(shí)檢測(cè)到相同的信號(hào)才有可能是引力波。LIGO于1999年初步建成,2002年開(kāi)始運(yùn)行。

2007年,LIGO進(jìn)行了一次升級(jí)改造,包括采用更高功率的激光器、進(jìn)一步減少振動(dòng)等。升級(jí)后的LIGO被稱(chēng)為“增強(qiáng)LIGO”。2009年7月,增強(qiáng)LIGO開(kāi)始運(yùn)行直到2010年10月結(jié)束。

在2002年到2010年期間,LIGO沒(méi)能探測(cè)到引力波存在的可靠證據(jù)。

 

人類(lèi)首次直接探測(cè)到了引力波

 

位于漢福德地區(qū)的LIGO觀測(cè)站的北臂

2010年,LIGO進(jìn)行了為期五年的重大升級(jí)改造,改造之后的探測(cè)器靈敏度要求提高10倍,被稱(chēng)為“先進(jìn)LIGO”。2015年9月18日,先進(jìn)LIGO開(kāi)始試運(yùn)行。據(jù)悉,本次探測(cè)到的引力波是升級(jí)前的LIGO于2015年9月14日探測(cè)到的信號(hào)。

目前主流的引力波探測(cè)器都是這種基于邁克耳孫干涉儀的原理。世界范圍內(nèi),除了美國(guó)的LIGO引力波探測(cè)器之外,還有德國(guó)和英國(guó)合作的GEO600、法國(guó)和意大利合作的VIRGO、日本的TAMA300以及計(jì)劃中的LCGT、澳大利亞計(jì)劃中的AIGO以及印度計(jì)劃中的LIGO-India。

 

人類(lèi)首次直接探測(cè)到了引力波

 

PTA、LISA(eLISA)與LIGO(aLIGO)三種方式分別探測(cè)不同頻率的引力波,構(gòu)成互補(bǔ)關(guān)系。

地基探測(cè)器探測(cè)引力波的頻率范圍是1赫茲~10^4赫茲。除了地基引力波探測(cè)器之外,科學(xué)家也在積極籌備“激光干涉太空引力波天線”(LISA/ eLISA)。理論上,eLISA探測(cè)引力波頻率范圍為10^-5赫茲~1赫茲。

值得一提的是,科學(xué)家也在利用一種叫“脈沖星計(jì)時(shí)陣列”(PTA)的射電天文方法探測(cè)更低頻率(納赫茲)的引力波。PTA與eLISA、LIGO在探測(cè)頻率上形成互補(bǔ)關(guān)系。

引力波探測(cè)的意義?

引力波天文學(xué)將是繼傳統(tǒng)電磁波天文學(xué)、宇宙線天文學(xué)和中微子天文學(xué)之后,人類(lèi)認(rèn)識(shí)宇宙的全新窗口,必將引發(fā)一場(chǎng)天文學(xué)的革命。

引力波探測(cè)除了能夠檢驗(yàn)廣義相對(duì)論之外,還有助于證明其它版本的引力理論正確與否,還將推動(dòng)引力量子化的研究,最終把引力融入其它三種基本相互作用,完成愛(ài)因斯坦的偉大夢(mèng)想。

引力波像其它的波一樣,攜帶著能量和信息。電磁波(宇宙背景微波輻射)只能讓我們看到大爆炸38萬(wàn)年之后的景象,而引力波能夠讓我們回望宇宙大爆炸最初瞬間,檢驗(yàn)宇宙大爆炸理論的正確與否。


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