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人類(lèi)首次直接探測到了引力波(gravitational waves)的存在

2016-02-12 02:34:04


科學(xué)家們還解碼的引力波信號并確定其來(lái)源。根據他們的計算,引力波是兩個(gè)巨大的黑洞,之間的沖突13十億光年遠的產(chǎn)品 - 尚未觀(guān)察到現在是一個(gè)非常極端的事件
科學(xué)家在譽(yù)為“本世紀最大的科學(xué)突破”一個(gè)歷史性的發(fā)現發(fā)現引力波。
這是第一次,研究人員檢測造成的兩個(gè)巨大黑洞碰撞時(shí)空翹曲 - 在東西愛(ài)因斯坦的廣義相對論理論預言首次于1915年。
這些引力波,創(chuàng )造了1.3十億光年距離地球,幫助確認我們的宇宙是由大爆炸產(chǎn)生,并給了前所未有一窺它的開(kāi)始。
“女士們,先生們,我們檢測引力波。我們做到了,“科技物理學(xué)家大衛Reitze加州理工學(xué)院說(shuō),在華盛頓一個(gè)擁擠的新聞發(fā)布會(huì )上表示,隨后的炒作在公布周觸發(fā)掌聲。
這是第一次,科學(xué)家在LIGO科學(xué)合作已經(jīng)直接觀(guān)測到引力波的漣漪。采用世界上最先進(jìn)的檢測儀,該項目的科學(xué)家聽(tīng)了第二次因為這兩個(gè)巨大黑洞20千分之一太陽(yáng)的一個(gè)35倍的質(zhì)量,其他略小,盤(pán)旋對方。圖為,海浪一個(gè)藝術(shù)家的印象
什么是引力波
科學(xué)家們觀(guān)看宇宙成由一個(gè)“時(shí)空結構”的。
這相當于愛(ài)因斯坦的一般理論,出版于1916年。
在宇宙中的物體彎曲這種面料,更加大質(zhì)量物體彎曲了。
引力波被認為是這種面料漣漪。
它們可以被制備,例如,當黑洞軌道彼此或星系的合并。
引力波也被認為大爆炸過(guò)程中已經(jīng)產(chǎn)生。
如果找到了,他們不僅證實(shí)了宇宙大爆炸理論,而且可以深入了解基礎物理學(xué)。
例如,他們可以說(shuō),在一個(gè)點(diǎn)上,大部分或全部自然的力量被合并成一個(gè)單一的力量的想法線(xiàn)索。
在2014年3月,一個(gè)團隊操作Bicep2望遠鏡,基于在南極附近,相信他們已經(jīng)找到了引力波,但其結??果證明是不準確的。
霍金教授說(shuō),檢測標志著(zhù)科學(xué)的歷史時(shí)刻。
“引力波在尋找宇宙提供了一種全新的方式,”他告訴英國廣播公司。 “探測到它們的能力,有可能徹底改變天文學(xué)的潛力。
“這一發(fā)現一個(gè)黑洞雙星系統的第一檢測和黑洞合并的第一個(gè)觀(guān)察?!?/div>
在這項研究中發(fā)現的引力波被認為是兩個(gè)巨大的黑洞,之間的沖突13十億光年遠的產(chǎn)品 - 尚未觀(guān)察到現在是一個(gè)非常極端的事件。
“產(chǎn)生這些引力波碰撞的黑洞在空間和時(shí)間的面料創(chuàng )造了一個(gè)猛烈的風(fēng)暴,風(fēng)暴中的時(shí)間加快,減慢,并再次加快,風(fēng)暴中,空間的形狀是彎曲這條路上的方式,“加州理工學(xué)院的物理學(xué)家基普·索恩說(shuō)。
在此基礎上特定事件的物理,LIGO科學(xué)家估計,在此事件中的兩個(gè)黑洞是太陽(yáng)的29和36倍,質(zhì)量,以及事件發(fā)生的1.3十億年前。
太陽(yáng)的大約三倍質(zhì)量轉化成引力波的幾分之一秒 - 用峰值功率輸出大約50倍,整個(gè)可見(jiàn)宇宙。 LIGO觀(guān)測這些引力波。
研究人員發(fā)現,在路易斯安那州和華盛頓兩個(gè)激光干涉引力波天文臺(LIGO)信號。
這些都是精心構造為從通過(guò)引力波探測微小的不得了雙振動(dòng)探測器。
一旦發(fā)現研究引力信號,他們將其轉換成音頻波,并聽(tīng)取了兩個(gè)黑洞螺旋在一起的聲音,然后合并成一個(gè)更大的單個(gè)黑洞。
“實(shí)際上我們聽(tīng)到他們去撲騰在夜間,”馬修·埃文斯,物理學(xué)麻省理工學(xué)院助理教授。
“我們得到它到達地球的信號,我們可以把它放在一個(gè)揚聲器,我們可以聽(tīng)到這些黑洞去,”吶喊“。
“有這個(gè)觀(guān)察很內臟連接。
“你真的聽(tīng)了這些事情,不知何故奇妙了?!?/div>
該小組還能夠相撞黑洞之前跟蹤的最后毫秒。
他們確定了黑色的孔,如大量的太陽(yáng)30次,盤(pán)旋彼此以接近光速的速度在碰撞融合之前。
反對在漢諾威萊布尼茲大學(xué)的馬克斯普朗克研究所的引力物理(阿爾伯特·愛(ài)因斯坦研究所)以下的猜測周新聞發(fā)布會(huì )上合照引力波的可視化科學(xué)家的身影。
我們如何太陽(yáng)和地球經(jīng)線(xiàn)的空間和時(shí)間,或時(shí)空,與綠色網(wǎng)格在這里表示。正如愛(ài)因斯坦在他的廣義相對論理論論證,大量機構的引力扭曲的空間和時(shí)間的面料,以及這些機構沿著(zhù)該幾何確定的路徑移動(dòng)。
根據廣義相對論,一對黑洞彼此環(huán)繞軌道,通過(guò)引力波輻射損失能量,導致他們在最后幾分鐘數十億年逐漸接近對方,然后更迅速。
在第二的最后部分,則該兩個(gè)黑洞碰撞到彼此在近一半的光的速度,并形成一個(gè)單一的更大規模的黑洞,將合并的黑洞“質(zhì)量的部分轉化為根據能量愛(ài)因斯坦的公式E = MC2。
這種能量被發(fā)射的引力輻射的最后一陣強。
“大多數的能量在第二只需零點(diǎn)幾秒發(fā)布,”彼得Fritschel,LIGO的首席科學(xué)家探測器,并在麻省理工學(xué)院的科維理研究所天體物理和空間研究的高級研究科學(xué)家。
“由于時(shí)間很短的量,以引力波的實(shí)際功率比可見(jiàn)宇宙中所有的光高?!?/div>
這些波然后通過(guò)對宇宙漣漪,有效地扭曲時(shí)空的面料,通過(guò)地球傳球超過(guò)十億年后,他們的前任,暴力的起源是淡淡的痕跡了。
“我們真正看到做天文學(xué)的新工具的開(kāi)放,”麻省理工學(xué)院的天體物理學(xué)家Nergis Mavalvala在接受采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)。
“我們已經(jīng)打開(kāi)了新的意義。我們已經(jīng)能夠看到,現在我們將能夠聽(tīng)到為好?!?/div>
科學(xué)家們敲響了發(fā)現積極頭暈。
“這是科學(xué)的圣杯,”科技天體物理學(xué)家卡洛斯Loust??o羅切斯特理工學(xué)院說(shuō)。 “上一次這樣的事情發(fā)生在1888年,當海因里希赫茲檢測到已被1865年的電磁詹姆斯·克拉克·麥克斯韋場(chǎng)方程預測的無(wú)線(xiàn)電波,”補充達勒姆大學(xué)的物理學(xué)家湯姆·麥克利什。
學(xué)生李木子在重力研究在格拉斯哥大學(xué)研究所拿著(zhù)電話(huà),顯示引力波的計算機模擬 - 漣漪時(shí)空 - 這已經(jīng)被科學(xué)家發(fā)現,經(jīng)過(guò)一個(gè)世紀愛(ài)因斯坦預言它們的存在。
由團隊發(fā)布二進(jìn)制中子星產(chǎn)生的引力波的藝術(shù)家的印象。
“這實(shí)在是一個(gè)真正的,真正令人興奮的事件,”阿沛Ashtekar,引力和宇宙賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究所所長(cháng)說(shuō)。
“它打開(kāi)對宇宙一個(gè)全新的窗口?!?/div>
Ashtekar說(shuō)重天體彎曲空間和時(shí)間,但由于引力的相對疲軟的影響,除了像從黑洞和中子星大規模和致密體微乎其微。
他說(shuō),當這些物體碰撞時(shí),它們發(fā)出的空間和時(shí)間的曲率是為傳播引力波漣漪。
一個(gè)黑洞,空間區域太擁擠了,此事甚至沒(méi)有光的光子能逃脫地心引力,是為在1971年首次發(fā)現。
中子星是小,約為一個(gè)城市的規模,但非常重,較大的恒星在超新星爆炸中死亡的緊湊遺體。
物理論文的共同作者牛津系的菲利普Podsiadlowski教授說(shuō):“引力波的檢測是在過(guò)去50年了天體物理學(xué)中最重要的發(fā)現之一,因為該發(fā)現的最物理學(xué)中重要希格斯玻色子在2012年。
什么是相對論?
引力波是根據預測愛(ài)因斯坦(圖)廣義相對論于1916年,但此后仍難以實(shí)現。
1905年,愛(ài)因斯坦確定物理定律是所有非加速觀(guān)察員相同,而光在真空中的速度是獨立于所有觀(guān)察者的運動(dòng) - 被稱(chēng)為狹義相對論的理論。
這一開(kāi)創(chuàng )性的工作介紹了所有物理學(xué)的新框架,并提出了時(shí)間和空間的新概念。
然后,他花了10年時(shí)間試圖以包括理論加速,終于出版他的廣義相對論理論于1915年。
這就注定了巨大的物體造成的時(shí)空,它使人感到重力扭曲。
在其最簡(jiǎn)單的,它可以被認為是在中心保齡球一個(gè)巨大的橡膠片材。
當球翹曲的片,行星彎曲的時(shí)空織物,產(chǎn)生,我們認為作為重力的力。
自帶靠近身體的任何物體落在因為效果朝它。
愛(ài)因斯坦預言,如果兩個(gè)龐大的機構走到了一起,將創(chuàng )造時(shí)空如此巨大的波動(dòng),它應該是地球上探測到。
它最近表現出的賣(mài)座電影膠片星際。
在看到船員登陸行星落在一個(gè)巨大的黑洞的引力掌握之中段,該事件造成的時(shí)間來(lái)大規模減速。
地球上的船員幾乎沒(méi)有年齡而船上有幾十年的舊的對他們的回報。
它最近表現出的賣(mài)座電影膠片星際,在看到船員登陸行星落在一個(gè)巨大的黑洞的引力掌握之中段,造成一次大規模減速,所以在這個(gè)星球上的船員,而勉強歲這些船上有幾十年的舊的對他們的回報。
引力波是造成致密物體的運動(dòng),像黑洞的空間和時(shí)間面料無(wú)形的漣漪。這些波浪鋪開(kāi)宇宙,但從來(lái)沒(méi)有被科學(xué)家們現在才看到
“它測試物理學(xué)最基本的層面,并提供了黑洞存在的最終證明?!?/div>
“這是一個(gè)壯觀(guān)的信號,”賴(lài)魏斯,物理學(xué)麻省理工學(xué)院名譽(yù)教授如是說(shuō)。
“這是我們許多人都希望LIGO以來(lái)提出的時(shí)間來(lái)觀(guān)察一個(gè)信號。
“它顯示的對象中的最強的引力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)可以想象,一個(gè)域,其中牛頓的萬(wàn)有引力并不在所有的工作,和一個(gè)需要的完全非線(xiàn)性愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程來(lái)解釋這一現象。
“勝利是我們測量波形是這些方程的解決方案很好的代表性。愛(ài)因斯坦是正確的在他的理論從未被測試了政權。
引力波的第一個(gè)證據是在1974年,當物理學(xué)家拉塞爾赫爾斯和泰勒約瑟夫發(fā)現了一對中子星,21,000地球光年,似乎在一個(gè)奇怪的圖案表現的。
他們推斷,明星們以這樣的方式,他們必須在引力波的形式損失能量相互繞行 - 即贏(yíng)得了研究者的諾貝爾物理學(xué)獎?dòng)?993年的檢測。
現在LIGO取得了引力波的第一次直接觀(guān)察地球上的儀器。
這個(gè)計算機模擬顯示了圍繞兩個(gè)黑洞的碰撞時(shí)間和空間翹曲,合照是在這個(gè)圖像的頂部球體。著(zhù)色表面是表示為一個(gè)兩維片的空間。漏斗形翹曲被黑洞“大規模生產(chǎn)。黑洞附近的顏色描繪此時(shí)流動(dòng)的速度:綠色,正常;黃,20%或30%放緩;紅色,巨大放緩
如何HISTORIC實(shí)驗保護正常工作
雙方雙激光干涉引力波天文臺于2015年9月14日檢測到的引力波,在上午04時(shí)51分CDT,或LIGO,探測器,位于利文斯頓,香格里拉,和漢福德,洗凈。
該LIGO觀(guān)測站是由美國國家科學(xué)基金會(huì ),或NSF資助,并設計,構建和加州理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院進(jìn)行操作。
不久的同時(shí)檢測是必要的,以確認該事件是真實(shí)的,并且基于在光的速度行駛的信號的到達的相對時(shí)間表示,即源位于南半球的天空。
激光干涉引力波天文臺(LIGO)漢福德實(shí)驗室的激光和真空設備區(LVEA)里面有預穩定激光器,光束分離器,輸??入測試群眾,和其他設備的鳥(niǎo)瞰圖。
航拍照片顯示漢福德,華盛頓附近的激光干涉引力波天文臺(LIGO)恒福實(shí)驗室檢測網(wǎng)站。
該LIGO探測器是在真空下在L形兩臂在長(cháng)度是每個(gè)4公里閃耀的激光干涉儀。
來(lái)自激光器的光反彈上L.科學(xué)家的每一端來(lái)回反射鏡之間測量用的光都臂的長(cháng)度。
如果有在時(shí)空的擾動(dòng),諸如引力波,時(shí)間的光取向行進(jìn)4里程將于在每個(gè)臂使一個(gè)臂略微不同看起來(lái)比另一個(gè)長(cháng)。
LIGO科學(xué)家測量光的兩束光的干擾,當他們回來(lái)的滿(mǎn)足,這揭示了時(shí)空擾動(dòng)的信息。
激光干涉引力波天文臺(LIGO)的技術(shù)人員進(jìn)行大光檢查。這對孿生探測器,構造為從通過(guò)引力波探測微小的令人難以置信的震動(dòng)兩個(gè)相同的探測器系統,分別位于利文斯頓,路易斯安那州和漢福德,華盛頓。
安裝為4元的懸掛系統,第4單元一個(gè)激光干涉引力波天文臺(LIGO)試驗群眾
這一發(fā)現是由Advanced LIGO,即增加相比第一代LIGO探測器儀器的靈敏度進(jìn)行重大升級的增強功能成為可能,從而在宇宙的體積大幅增加探測 - 和引力波的發(fā)現它的第一個(gè)觀(guān)察運行中。
研究人員檢測到引力波在2015年9月14日,在上午05點(diǎn)51分美國東部時(shí)間,使用雙LIGO干涉,位于利文斯頓,路易斯安那州和漢福德,華盛頓。
每個(gè)L形干涉跨越長(cháng)度為4公里,采用激光分成兩束的來(lái)回通過(guò)每個(gè)手臂,精確配置鏡子之間跳躍。
每束監視這些反射鏡,其中,根據愛(ài)因斯坦的理論,將當引力波通過(guò)時(shí),儀器無(wú)窮變化之間的距離。
“你幾乎可以想像它,如果你池塘的表面上下降了一塊巖石,紋波出去,”Nergis Malvalvala,在麻省理工學(xué)院天體物理學(xué)的柯蒂斯和凱瑟琳大理石教授說(shuō)。
“[這]東西,扭曲它周?chē)臅r(shí)空,后來(lái)該扭曲向外傳播,到達我們的地球上,幾億光年”。
最后三月,研究人員已完成重大升級到干涉儀,被稱(chēng)為高級LIGO,增加了儀器的靈敏度并使其能夠檢測在每個(gè)臂的長(cháng)度的變化,比一萬(wàn)分之一質(zhì)子的直徑小。到9月份,他們準備開(kāi)始與他們觀(guān)察。
“我們在地球上測量的效果是等同于測量到幾微米之內最近的恒星,半人馬座阿爾法星的距離,”埃文斯說(shuō)。 “這是一個(gè)非常艱難的測量進(jìn)行。愛(ài)因斯坦想到這永遠也不會(huì )被拉斷“。
這是什么意思為我們的了解宇宙?
科學(xué)家表示,引力波打開(kāi)門(mén),觀(guān)察宇宙,并獲得約像黑洞和中子星神秘物體知識的新途徑。
通過(guò)研究引力波,他們也希望能夠深入了解極早期宇宙,它一直保持神秘的性質(zhì)。
我們知道宇宙一切從電磁波如無(wú)線(xiàn)電波,可見(jiàn)光,紅外光,X射線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)的莖。
但由于這樣的電波遇到干擾,因為他們在宇宙中旅行,他們可以告訴只是故事的一部分。
引力波遇到?jīng)]有這樣的障礙,這意味著(zhù)他們可以提供豐富的附加信息。
黑洞,例如,不發(fā)光,無(wú)線(xiàn)電波等,但可以通過(guò)引力波進(jìn)行研究。
該小組還能夠跟蹤最終毫秒黑洞相撞(藝術(shù)家的印象如圖)之前。
能夠探測引力波將幫助天文學(xué)家探測“黑暗宇宙”。
這是考慮到宇宙的很大一部分是不可見(jiàn)的光望遠鏡的名字。
他們將能夠更深入了解宇宙,這意味著(zhù)我們可以更好地了解客戶(hù)的歷史。
一樣的結果,研究人員將能夠研究黑洞和中子星。這一發(fā)現也將幫助科學(xué)家證實(shí)引力波是否真的在旅行光的速度,預測。
這將幫助科學(xué)家理解宇宙是如何快速擴大,是什么讓恒星爆炸。
'LIGO正好與引力波的開(kāi)始。在未來(lái)十年或二十年,我們將有四個(gè)引力打開(kāi)窗戶(hù)看著(zhù)宇宙,“傷心基普·索恩,理論物理學(xué)教授費曼在加州理工學(xué)院?!?/div>
研究人員檢測到2015年9月14日的引力波,在上午05點(diǎn)51分美國東部時(shí)間,使用雙LIGO干涉,位于利文斯頓,路易斯安那州和漢福德,華盛頓
然而,信號都挺過(guò)來(lái)了。用愛(ài)因斯坦的方程,該小組分析的信號,并確定它源自碰撞兩個(gè)巨大黑洞之間。
“我們認為這將是一個(gè)巨大的挑戰來(lái)證明自己和別人的是,我們看到了前幾個(gè)信號不只是吸蟲(chóng)和隨機噪聲,”大衛·休梅克,美國麻省理工學(xué)院LIGO實(shí)驗室主任。
“但是,自然只是一種令人難以置信的在提供給我們,是非常大的,非常容易理解,絕對,輝煌與愛(ài)因斯坦的理論定位的信號?!?/div>
對于LIGO的數百名科學(xué)家,引力波的這種新的檢測標志不僅是一個(gè)長(cháng)達數十年的搜索登峰造極,也看宇宙的新方式的開(kāi)始。
“這確實(shí)開(kāi)辟了天體物理學(xué)一個(gè)全新的領(lǐng)域,”埃文斯說(shuō)。
“我們總是期待與望遠鏡天空,尋找電磁輻射喜光,無(wú)線(xiàn)電波或X射線(xiàn)。
“現在引力波是一種全新的方式,使我們可以了解我們周?chē)氖澜??!?/div>
科學(xué)家們還解碼的引力波信號并確定其來(lái)源。根據他們的計算,引力波是兩個(gè)巨大的黑洞,之間的沖突13十億光年遠的產(chǎn)品 - 尚未觀(guān)察到現在是一個(gè)非常極端的事件
國當地時(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),美國國家科學(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)家在華盛頓特區國家媒體中心宣布:人類(lèi)首次直接探測到了引力波!
這次探測到的引力波是由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)量高速旋轉的黑洞,虧損的質(zhì)量以強大引力波的形式釋放到宇宙空間,經(jīng)過(guò)13億年的漫長(cháng)旅行,終于抵達了地球,被美國的“激光干涉引力波天文臺”(LIGO)的兩臺孿生引力波探測器探測到。
什么是引力波?
在物理學(xué)上,引力波是愛(ài)因斯坦廣義相對論所預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大的引力波,但能產(chǎn)生這種較強引力波的波源距離地球都十分遙遠,傳播到地球時(shí)變得非常微弱。
人類(lèi)首次直接探測到了引力波
根據廣義相對論,該雙星系統會(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)現了一顆編號為PSR B1913+16的脈沖星,他們發(fā)現該脈沖星處于雙星系統中,其伴星也是一顆中子星。根據廣義相對論,該雙星系統會(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(cháng)軸每年減少3.5米,預計大約經(jīng)過(guò)3億年后發(fā)生合并。
自1974年,泰勒和赫爾斯和對這個(gè)雙星系統的軌道進(jìn)行了長(cháng)時(shí)間的觀(guān)測,觀(guān)測值和廣義相對論預言的數值符合得非常好,這間接證明了引力波的存在。泰勒和赫爾斯也因這項工作于1993年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。
共振型引力波探測器
韋伯教授在調試他的引力波探測器(1965年)
上世紀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器。該探測器由多層鋁筒構成,直徑1米,長(cháng)2米,質(zhì)量約1000千克,用細絲懸掛起來(lái)。當引力波經(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)放置了相同的探測器,只有兩個(gè)探測器同時(shí)檢測到相同的信號才被記錄下來(lái)。1968年,韋伯宣稱(chēng)他探測到了引力波,立刻引起了學(xué)界的轟動(dòng),但是后來(lái)的重復實(shí)驗都一無(wú)所獲。
激光干涉引力波探測器
兩臺孿生引力波探測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)等人意識到用激光干涉方法探測引力波的可能性。引力波的探測對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,相當于質(zhì)子直徑的千分之一。直到上世紀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)院在美國國家科學(xué)基金會(huì )(NSF)的資助下,開(kāi)始聯(lián)合建設“激光干涉引力波天文臺”(LIGO)。LIGO的主要部分是兩個(gè)互相垂直的干涉臂,臂長(cháng)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,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(cháng)度會(huì )略為變長(cháng)而另一臂的長(cháng)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)生相應的變化。
兩臺孿生引力波探測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。只有當兩個(gè)探測器同時(shí)檢測到相同的信號才有可能是引力波。LIGO于1999年初步建成,2002年開(kāi)始運行。
2007年,LIGO進(jìn)行了一次升級改造,包括采用更高功率的激光器、進(jìn)一步減少振動(dòng)等。升級后的LIGO被稱(chēng)為“增強LIGO”。2009年7月,增強LIGO開(kāi)始運行直到2010年10月結束。
在2002年到2010年期間,LIGO沒(méi)能探測到引力波存在的可靠證據。
2010年,LIGO進(jìn)行了為期五年的重大升級改造,改造之后的探測器靈敏度要求提高10倍,被稱(chēng)為“先進(jìn)LIGO”。2015年9月18日,先進(jìn)LIGO開(kāi)始試運行。據悉,本次探測到的引力波是升級前的LIGO于2015年9月14日探測到的信號。
目前主流的引力波探測器都是這種基于邁克耳孫干涉儀的原理。世界范圍內,除了美國的LIGO引力波探測器之外,還有德國和英國合作的GEO600、法國和意大利合作的VIRGO、日本的TAMA300以及計劃中的LCGT、澳大利亞計劃中的AIGO以及印度計劃中的LIGO-India。
地基探測器探測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器之外,科學(xué)家也在積極籌備“激光干涉太空引力波天線(xiàn)”(LISA/ eLISA)。理論上,eLISA探測引力波頻率范圍為10^-5赫茲~1赫茲。
值得一提的是,科學(xué)家也在利用一種叫“脈沖星計時(shí)陣列”(PTA)的射電天文方法探測更低頻率(納赫茲)的引力波。PTA與eLISA、LIGO在探測頻率上形成互補關(guān)系。
引力波探測的意義?
引力波天文學(xué)將是繼傳統電磁波天文學(xué)、宇宙線(xiàn)天文學(xué)和中微子天文學(xué)之后,人類(lèi)認識宇宙的全新窗口,必將引發(fā)一場(chǎng)天文學(xué)的革命。
引力波探測除了能夠檢驗廣義相對論之外,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(zhù)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,檢驗宇宙大爆炸理論的正確與否。
一個(gè)脈沖星雙星系統及其產(chǎn)生的時(shí)空漣漪(引力波)示意圖
LIGO設施工作原理圖LIGO設施工作原理圖
  時(shí)空中的漣漪
  當愛(ài)因斯坦最早提出他的廣義相對論的時(shí)候,他徹底革新了我們原先對于時(shí)間與空間的概念理解。我們此前一直認為空間是恒定而不變的,物質(zhì)和能量存在于其中。但愛(ài)因斯坦的理論指出空間實(shí)際上與能量和質(zhì)量之間都是相互聯(lián)系的,并且隨著(zhù)時(shí)間推移空間也在發(fā)生變化。如果只存在一個(gè)質(zhì)量物體,靜止地存在于時(shí)空之中(或者處于勻速運動(dòng)狀態(tài)),那么它所處的時(shí)空不會(huì )發(fā)生變化。但如果你加入第二個(gè)質(zhì)量物體,那么這兩個(gè)物體之間就會(huì )發(fā)生相互運動(dòng),互相會(huì )向對方施加一個(gè)加速度,在這一過(guò)程中也就將造成時(shí)空結構的改變。更加重要的是,由于存在一個(gè)大質(zhì)量粒子在引力場(chǎng)中運動(dòng),廣義相對論指出這一大質(zhì)量物體將會(huì )被加速,并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(lèi)的輻射都不同。它會(huì )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(zhù),如果這兩個(gè)質(zhì)量物體處于相互運行的軌道之中,那么隨著(zhù)時(shí)間推移這個(gè)軌道將會(huì )逐漸收縮,這兩個(gè)質(zhì)量物體之間的距離將逐漸縮短。不過(guò)不要太過(guò)擔心,對于像地球圍繞太陽(yáng)運行這樣一個(gè)系統,相對而言這兩個(gè)天體的質(zhì)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(gè)軌道也將需要經(jīng)過(guò)10的150次方年才會(huì )衰減崩潰,如此長(cháng)的時(shí)間早已遠遠超過(guò)了宇宙的年齡,事實(shí)上這也遠遠超過(guò)了已知所有恒星的壽命!然而對于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(jīng)被觀(guān)測到了。

  科學(xué)家們認為宇宙中可能還存在著(zhù)我們尚未探測到的更高能的事件,如黑洞的相互合并。這類(lèi)事件應該會(huì )產(chǎn)生某種特征信號,而這樣的信號是可以被“先進(jìn)LIGO”系統捕捉到的。
先進(jìn)LIGO設施的引力波探測范圍示意圖先進(jìn)LIGO設施的引力波探測范圍示意圖
先進(jìn)LIGO設施升級過(guò)程中,工程師正在工作先進(jìn)LIGO設施升級過(guò)程中,工程師正在工作
  先進(jìn)LIGO探測器
  從本質(zhì)上而言,“先進(jìn)LIGO”系統采用的探測手法是相當簡(jiǎn)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(zhì)之一。引力波會(huì )造成空間的拉伸或壓縮,其頻率和強度取決于形成這種引力波的天文事件所具有的一系列特征,如兩個(gè)相互繞轉天體各自的質(zhì)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?!跋冗M(jìn)LIGO”設施包括兩條互相垂直的長(cháng)臂,長(cháng)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,然后兩束激光分別被4公里外的反射鏡反射回來(lái)并發(fā)生干涉,并且這樣的反射可以來(lái)回進(jìn)行多次,從而大大增加激光運行的路徑長(cháng)度。由于頻率和波長(cháng)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(huì )對這兩束激光的波長(cháng)頻率產(chǎn)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(xué)家們判斷兩個(gè)繞轉天體各自的質(zhì)量大小、它們之間的間距以及這一系統到地球之間的距離等豐富的信息。
  先進(jìn)LIGO包括兩處設施,分別位于美國西北部(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(guān)測到同樣的信號,那么我們幾乎就能夠肯定我們的確是觀(guān)測到了引力波信號了。目前版本的LIGO系統對于質(zhì)量在1倍太陽(yáng)質(zhì)量到數百倍太陽(yáng)之間之間的兩個(gè)黑洞合并過(guò)程可能產(chǎn)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(wàn)光年之外——在這樣一個(gè)巨大的空間范圍內,符合條件的黑洞合并事件每年都會(huì )至少發(fā)生幾次。

  如果今晚LIGO合作組真的如外界所傳言的那樣,正式宣布探測到引力波信號的消息,那么這一消息所承載的意義將遠遠超出其本身——這將是對愛(ài)因斯坦廣義相對論的全新檢驗,也是人類(lèi)歷史上對引力輻射首次成功的直接探測?!跋冗M(jìn)LIGO”是有史以來(lái)人類(lèi)建造的最先進(jìn)的引力波觀(guān)測設施,因此也是最有希望能夠窺見(jiàn)真實(shí)引力波信號的地方。該項目有超過(guò)1000名頂尖科學(xué)家參與其中,因而也使其成為規模最為龐大的引力波搜尋國際合作研究項目。如果所有科學(xué)目標都能夠如預期中的那樣達成,那么就在今晚,我們將一起見(jiàn)證一個(gè)全新天文學(xué)時(shí)代的開(kāi)端。

  盡管這次的消息最早是由一位項目組之外的科學(xué)家勞倫斯·克勞斯(Lawrence Krauss)最先披露的,因而也引發(fā)了外界的廣泛批評——因為這樣的消息理應是由當事方,也就是LIGO項目合作組來(lái)負責對外發(fā)布的。但不管如何,就在今晚,如果引力波被首次直接探測到的消息能夠得到證實(shí),那么這些都將顯得不再那么重要,因為我們將會(huì )因此受益良多:我們將會(huì )再次確認愛(ài)因斯坦是對的,引力輻射是真實(shí)存在的,并且黑洞的合并過(guò)程的確會(huì )產(chǎn)生這樣的引力輻射,而更重要的是,這樣的引力輻射信號是可以被 從地球上探測到的。這將是一個(gè)全新的天文學(xué)領(lǐng)域,一個(gè)不需要望遠鏡的新的天文學(xué)領(lǐng)域,它將引領(lǐng)我們打開(kāi)理解黑洞、中子星和其他難以采用傳統方法進(jìn)行觀(guān)測的天體類(lèi)型的全新視野
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