腾讯空间侨报2月11日报道,当地时间2月11日上午10点30分(北京时间2月11日23点30分),美国国家科学基金会(NSF)召集了加州理工学院、麻省理工学院、迈阿密大学的科学家小组讨论新技术的研发。麻省理工学院和LIGO科学合作项目的科学家在华盛顿特区的国家媒体中心宣布:人类首次直接探测到了引力波!
此次探测到的引力波是由距离我们13亿光年的两个黑洞在合并的最后阶段产生的。这两个黑洞的初始质量分别为29个和36个太阳,合并后形成一个质量大62倍的黑洞。这个质量与太阳相当的黑洞正在高速旋转,失去的质量以强大引力波的形式释放到太空中,经过13亿年的漫长旅程,终于抵达地球,并被美国两座激光干涉仪(LIGO)的孪生引力波探测器探测到。
什么是引力波?
在物理学中,引力波是爱因斯坦广义相对论预言的以光速传播的时空波动。就像石头扔进水中引起的涟漪一样,引力波被看作是宇宙中的“时空涟漪”。引力波的产生非常困难,地球以每秒30公里的速度绕太阳公转,它发射出的引力波功率只有200瓦,还没有家用电饭锅的功率大。宇宙中大质量天体的加速、碰撞、合并等事件才会形成强烈的引力波,但这种强烈引力波的源头距离地球非常遥远,传播到地球就会变得非常微弱。
1974年物理学家探测引力,物理学家约瑟夫·泰勒( ,Jr.)和罗素·赫尔斯(Alan Hulse)发现了一颗编号为PSR B1913+16的脉冲星,他们发现这颗脉冲星位于一个双星系统中,它的伴星也是一颗中子星。根据广义相对论,该双星系统将以引力波的形式损失能量,轨道周期每年缩短76.5微秒,轨道半长轴每年减小3.5米,预计约3亿年后合并。
从1974年开始,泰勒和赫尔斯对这个双星系统的轨道进行了长期观测,观测值与广义相对论预言的数值非常吻合,间接证明了引力波的存在。他因这项工作获得了1993年的诺贝尔物理学奖。
共振引力波探测器
20世纪60年代,马里兰大学物理学家韦伯首次提出了谐振式引力波探测器,探测器由一个直径1米、长2米、质量约1000公斤的多层铝制圆柱体组成,圆柱体由细线悬挂。当引力波经过圆柱体时,圆柱体产生谐振,可被装在圆柱体周围的压电传感器探测到。韦伯曾把同一个探测器分别放置在相距1000公里的两个地方,只有两个探测器同时探测到相同的信号,才能记录下来。1968年,韦伯宣布探测到引力波,立即引起学界轰动,但随后的反复实验均无所获。
激光诱导生长因子
20 世纪 70 年代,加州理工学院物理学家雷纳·韦斯等人实现了利用激光干涉法探测引力波的可能性。探测引力波对仪器的灵敏度要求非常高,在 1000 米的距离上感知到 10^-18 米的变化,相当于质子直径的千分之一。直到 20 世纪 90 年代,如此高灵敏度所需的技术条件才逐渐成熟。
1991年,麻省理工学院和加州理工学院在美国国家科学基金会(NSF)的资助下,开始联合建造激光干涉引力波天文台(LIGO)。LIGO的主要部分是两条互相垂直的干涉仪臂。在两臂的交汇处,从激光源发射出的光束被一分为二,进入两个互相垂直、保持超真空状态的空心圆柱体,再由终端的镜子反射回原来的起点。如果有引力波经过,会引起时空变形,一条臂的长度会略长,另一条臂的长度会略短,从而引起光程差的变化,因此激光干涉条纹也会随之改变。
这对孪生引力波探测器分别位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿,相距 3000 公里。只有当两个探测器同时探测到相同的信号时,它才是引力波。LIGO 最初于 1999 年建成,并于 2002 年开始运行。
2007年,LIGO进行了升级,包括使用更高功率的激光和进一步减少振动。升级后的LIGO被称为“增强型LIGO”。2009年7月,增强型LIGO开始运行,并于2010年10月结束运行。
2002年至2010年间,LIGO未能探测到引力波存在的可靠证据。
2010年,LIGO进行了为期5年的重大升级,升级后的探测器灵敏度要求提高10倍贝语网校,被称为“ LIGO”。2015年9月18日, LIGO开始试运行,探测到的引力波正是2015年9月14日升级前LIGO探测到的信号。
目前主流的引力波探测器都是基于迈克尔逊干涉仪原理,除了美国的LIGO引力波探测器外,还有德国与英国、法国与意大利合作的VIRGO,日本计划的LCGT物理学家探测引力,澳大利亚计划的AIGO,以及印度计划的LIGO-India。
地面探测器探测到的引力波频率范围是1Hz到10^4Hz,除了地面引力波探测器,科学家也在积极筹备“激光干涉仪空间引力波天线”(LISA/eLISA),理论上,eLISA探测到的引力波频率范围是10^-5Hz到1Hz。
值得一提的是,科学家们还在利用一种名为“脉冲星计时阵列”(PTA)的射电天文学方法来探测更低频率(纳赫兹)的引力波,PTA在探测频率上与eLISA和LIGO形成互补。
引力波探测有何意义?
引力波天文学将成为人类继传统电磁波天文学、宇宙线天文学、中微子天文学之后认识宇宙的新窗口,必将引发天文学的一场革命。
引力波探测除了可以检验广义相对论之外,还将有助于证明其他版本引力理论的正确性,并推动引力量子化的研究,最终将引力融入其他三种基本相互作用中,完成爱因斯坦的伟大梦想。
引力波和其他波一样,携带着能量和信息。电磁波(宇宙背景微波辐射)只能让我们看到大爆炸38万年后的景象,而引力波可以让我们回望大爆炸的第一刻。检验大爆炸理论是否正确。