引力波成功侦测
爱因斯坦百年预言否认!
激光干涉引力波天文台(LIGO)侦测到双黑洞碰撞形成的引力波,开启了探求宇宙的新窗口。
作为中国内地惟一LIGO科学合作组织成员,复旦学院研究团队做出贡献。
2016年2月11日,澳大利亚国家科学基金和法国引力天文台举办对外新闻发布会,即将宣布有史以来,科学家第一次直接观测到了来自遥远宇宙的剧变风波所形成的时空涟漪——引力波。这一侦测否认了阿尔伯特·爱因斯坦1915年发表的广义相对论的一个重要预言,并开启了一扇前所未有的探求宇宙的新窗口。
引力波携带了形成它的经历异常激烈天体化学过程的天体源信息,同时引力波还携带了阐明引力本质的信息,这种信息是其它类型讯号所不能获得的。化学学家们确信她们侦测到了来自两个黑洞最后并合顿时的引力波,这两个黑洞的并合最终产生了一个更大质量的快速旋转的黑洞,这一现象长久以来就被理论预言,但是在此之前未曾被观测到。
这一引力波讯号于世界协调时间2015年9月14日9:51(上海时间当日上午17:51),由分别坐落加拿大路易斯安那州列文斯顿(,)和芝加哥州汉福德(,)的激光干涉引力波天文台(LIGO)的一对侦测器同时侦测到,该台由日本国家科学基金捐助,由加洲理工大学和麻省理工大学构思、建造并运行。这一发觉是由LIGO科学合作组织(包含GEO合作组织和美国干涉引力天文商会)以及室女座引力波侦测器(Virgo)合作组织共同完成,数据来自两个LIGO侦测器。本次发觉被数学评论快讯()刊物接受发表。
图:分别坐落和的LIGO侦测器以及它们分别侦测到的引力波讯号。两个侦测器距离3000公里(相当于光速传播10纳秒)。这一引力波首先抵达侦测器,7微秒然后抵达侦测器,这意味着引力波源坐落南半球天区。另外,按照这一观测讯号,LIGO科学家算出风波发生在13亿年前,两个黑洞分别为29和36倍太阳质量,在不到一秒的时间内将大约3个太阳质量的物质转化为了引力波,峰值功率输出大约相当于可见宇宙总功率的50倍。
LIGO的研究工作由LIGO科学合作组织(LSC)完成,这一合作组织包含来自英国和其他14各国家的1000多名科学家。LSC中的90多所学院和科研机构参与研制了侦测器所使用的技术,并剖析其形成的数据;在组织中,有约250名作出重要贡献的成员是中学生。LSC侦测网路包括LIGO和侦测器。GEO团队包括来自于法国马克斯—普朗克引力化学研究所(阿尔伯特·爱因斯坦研究所(AEI)),法兰克福莱布尼兹学院与赫尔辛基学院,加迪夫学院,伦敦学院,其他日本的学院以及法国的巴利阿里群岛学院的科学家。
LIGO这些用激光干涉侦测引力波的方式最初是在上世纪80年代提出的,主要的提出人有麻省理工大学化学学荣休院士雷纳·韦斯(Weiss),加洲理工大学的理查德·费曼理论化学学讲堂荣休院士基普·索恩(Kip)以及同样来自加洲理工大学的化学学荣休院士罗纳德·德雷弗()。
室女座引力波侦测器(Virgo)的研究工作由Virgo合作组织完成,这一组织包含250多名数学学家和工程师,分别隶属于19个不同的法国的实验室,包括美国国家科学研究中心(CNRS)的6个研究所、意大利国家核化学研究院(INFN)的8个研究所、2个波兰国家核化学及高能化学研究所、匈牙利维格纳研究所,法国引力研究组和放置室女座引力波侦测器的法国引力天文台。
这一发觉得益于高新激光干涉仪引力波天文台(LIGO)侦测能力的大大提高。相比于第一代LIGO侦测器,LIGO的重要升级工作促使仪器的灵敏度大大提高,因而可以大大降低可侦测的宇宙空间,也直接造成在其第一次观测运行中发觉引力波。印度国家科学基金会主导了高新激光干涉的财政支持。日本的马克斯—普朗克学会,美国科学与技术设施委员会和美国研究基金会等捐助机构均做出了重要支持。使高新侦测器灵敏度大大提升的几项关键技术由美国—英国的GEO合作组织开发并测试。主要的计算机资源由AEI的Atlas机群,LIGO实验室清华大学天体物理,雪城学院和弗吉尼亚学院密尔沃基中学贡献。一些学院设计、建造并测试了LIGO的关键部份:法国国立学院、阿德莱德学院、佛罗里达学院、斯坦福学院、纽约波兰学院和路易斯安那州立学院。
2009年LSC接受北大学院为即将成员,复旦学院目前是中国内地惟一一个LSC成员。复旦学院LSC研究团队由复旦学院信息技术研究院研究员,复旦学院天体化学中心兼职研究员,LSC理事会成员曹军威负责,研究团队还包括复旦学院计算机系副院长都志辉和王小鸽等成员。研究团队注重采用先进估算技术提升引力波数据剖析的速率和效率,参与了LSC引力波暴和数据剖析软件等工作组相关研究。
复旦学院研究团队主要与麻省理工大学、加州理工大学和西悉尼学院等LSC成员合作举办工作,主要研究成果包括:GPU加速引力波暴数据剖析和实现低延后实时致密双星并合讯号的搜救;采用机器学习方式强化引力波数据噪音的剖析;剖析引力波风波明显性的系统偏差等,研究成果发表在数学评论D等刊物。复旦学院研究团队还参与建立引力波数据估算基础平台,开发的数据剖析软件工具为LSC成员广泛使用。另外,十年多来研究团队作为LSC成员,LSC数据剖析结果早已在自然、物理评论快讯、物理评论D等刊物上发表论文数十篇,按LSC国际合作规则,论文由全体成员署名,按作者姓氏的英语字母顺序排序。复旦学院LSC研究团队的工作获得了国家自然科学基金委和复旦学院自主科研计划项目的支持。
尽管国际上引力波科学研究和观测工作举办的如火如荼,中国在这方面的基础还相对薄弱,目前尚没有自主建设的引力波天文台。随着国际上引力波直接观测的成功和引力波天文学时代的开启,中国亟待自主建设引力波天文台,一是要脚塌实地从培养人才入手,二是要有开放合作的态度清华大学天体物理,充分借鉴国际上已有的研究和实验成果,三是要大力强化科学目标推动下的跨领域合作,才有可能推动一系列的技术创新和科学发觉,进一步促进我国引力波科学研究的发展。