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探测引力波已从公式发展到网络 或带来科技革命

文章来源: 文章作者: 更新时间:2017-10-27 15:00:21 点击次数:

 10月16日,南京紫金山天文台对外发布一项重大发现,我国南极巡天望远镜追踪探测到首例引力波事件光学信号。另外,我国第一颗空间X射线天文卫星——“慧眼”望远镜在此次引力波事件发生时,成功检测了引力波源所在的天区。
从1916年爱因斯坦在《德国物理学》杂志上发表《广义相对论基础》一文,到2016年2月11日美国国家科学基金会携加州理工学院、麻省理工学院和LIGO科学合作组织的科学家宣布首次直接探测到了引力波,人类对引力波的探索已经有百年历程。那么,引力波到底是什么,为什么一代代科学家都对此执著研究?
如同船在水中引起的涟漪
2015年,美国科幻、奇幻和恐怖电影学院将土星奖最佳影片颁给了电影《星际穿越》,这部电影关于时间空间的阐述手法令人称奇,而影片的科学顾问就是今年诺贝尔物理学奖得主之一基普·索恩,他的获奖原因是构思和设计激光干涉仪引力波天文台LIGO,对直接探测引力波作出杰出贡献。
在2009年以前,基普·索恩一直担任加州理工学院费曼理论物理学教授,奠定了引力波探测的理论基础,开创了引力波波形计算以及数据分析的研究方向。辞去费曼教授职务后,他开始钟情于电影,第一部就是与诺兰合作的《星际穿越》。
事实上,引力波也是在解释空间和时间的关系,爱因斯坦在《广义相对论基础》一文中认为,空间、时间是一个整体,引力不是通常意义下的力,而是时空弯曲的一种表现,本质是一种几何现象。这种时空弯曲的曲率与处于时空中的物质直接相联系,物质的存在会使周围的时空发生弯曲,并且会以光速向四周传播,这种波动即为引力波。
简单来说,广义相对论认为,大到天体,小到人类本身,在运动时都会使周围的时空产生涟漪,就如同船在水中移动时会产生水波一样,船是物质,水好比是时空,水产生的波动就是引力波。只不过,这样的波动非常不易察觉,这使得爱因斯坦的引力波理论在很长一段时期都没有得到实验验证。
从一个公式发展到一个网络
引力波探测的困难,与宇宙的浩瀚不无关系。探测引力波的方式,是利用引力波的潮汐效应,探测引力波作用下两个物体之间的距离变化,而这种变化,是非常微小的。
一般来说,如果宇宙中发生了超新星爆发、黑洞形成的“大事件”,相应天体会产生巨大的引力波,不过,这样的现象具有非常大的偶然性,很难遇到并恰好捕捉到。于是,科学家们开始关注另一种天体,一种可以发出连续引力波的天体——双星。双星是两颗绕着共同的重心旋转的恒星,人们肉眼可见的天狼星就是双星,其伴星为白矮星。
相对而言,双星系统运动状态稳定,引力波辐射可以导致绕转频率加快,轨道周期变小,如果能测出双星变化周期律与广义相对论中的公式相符,就能间接证实引力波的存在。美国马萨诸塞大学的赫尔斯和泰勒于1974年用射电望远镜发现了第一颗脉冲双星PSR1913+16,并于4年后测定周期变化率,与广义相对论公式给出的理论值不超过1%。两人最终因此成功获得诺贝尔物理学奖。
就在赫尔斯和泰勒探测脉冲双星的同时期,麻省理工学院的雷纳·韦斯和马布里休斯实验室的罗伯特·佛瓦德分别建造了激光干涉引力波探测器,探测器有两个相互垂直、长度相等的干涉双臂,当有引力波通过时,一臂拉升一臂压缩,光电接收器的光强就会发生变化
因为对引力波探测作出的贡献,雷纳·韦斯也获得了今年的诺贝尔物理学奖。而在上世纪90年代,包括美、法、意、德、英、日、澳等多个国家在内,都独立或合作建造了激光干涉引力波探测器,并且组成一个国际观测网络,只要一个观测器收到信号,就能数据共享。
中国人不会缺席
即便建立了观测网络,想要观测到引力波信号也绝非易事。例如去年探测到的引力波信号GW150914,是13亿光年之外两颗黑洞合并最后阶段产生的,相当于29颗太阳与36颗太阳,最后合并成一颗62倍太阳质量高速旋转的黑洞,在信号释放到宇宙空间13亿年后抵达地球。那么,如此巨大星球合并产生的引力波引起了实验仪器怎样的反应呢?实验设备4公里的臂长,改变了相当于质子直径万分之一的长度,相当于太阳与最近恒星之间的距离,改变了一个头发丝的宽度。
那么,观测到这“万分之一质子直径”的变化,需要多精准的仪器呢?为了排除地震、声波等干扰,引力波信号需要距离很远的两个地方同时检测到才算数。探测到GW150914信号的两个探测站,分别位于美国的华盛顿州和路易斯安纳州,相距3000公里。
各国之所以投入巨资用于引力波探测,是因为引力波对于天文学和物理学研究有重要作用。人们最初了解宇宙的方式,是仰望星空,但是,光并不能穿透一切物质,而引力波则可以几乎不受阻挡地穿过一切天体,遥远恒星的光会被其它介质阻挡,但其产生的引力波不会。这就使得人类了解天体信息的渠道增加了,进一步研究之下,也将对天体物理学和相对论宇宙学产生深远影响。有的科学家甚至认为,引力波的发现如同电磁波一样,在未来产生科技革命也不是没有可能。
在引力波的探测上,中国人也没有缺席。最近一次引力波事件发生时,全球仅有4台X射线和伽马射线望远镜成功监测到爆发天区,而中国的“慧眼”就是其中一台,而且在四台望远镜里面有效面积和时间分辨率最高。
目前,我国已经启动了由中山大学领衔的“天琴计划”和中科院高能物理研究所主导的“阿里实验计划”,前者是去太空捕捉引力波,将分四个阶段约20年实施;后者是在地面探测原初引力波,利用高海拔优势开展北半球首个搜寻原初引力波的望远镜计划。

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