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天文学家宣布已直接观测到重力波

来源: 神秘的地球
时间:2016年2月15日

科学家侦测到两个黑洞相撞合并所产生的重力波(此处模拟),由于此一活动十分激烈,相撞的两个黑洞互相吞噬对方的前一刻,释放出的能量比宇宙其余部分加起来还要多。 IL

科学家侦测到两个黑洞相撞合并所产生的重力波(此处模拟),由于此一活动十分激烈,相撞的两个黑洞互相吞噬对方的前一刻,释放出的能量比宇宙其余部分加起来还要多。 ILLUSTRATION BY SXS COLLABORATION

电脑模拟显示,两个相互环绕运行的巨大黑洞,释放出重力波。 ILLUSTRATION BY C. HENZE, NASA

电脑模拟显示,两个相互环绕运行的巨大黑洞,释放出重力波。 ILLUSTRATION BY C. HENZE, NASA

LIGO团队运用雷射和精密排列的镜子,侦测出重力波造成的微小震动。

LIGO团队运用雷射和精密排列的镜子,侦测出重力波造成的微小震动。

(神秘的地球报道)据美国国家地理(撰文:Nadia Drake):人类寻找重力波(gravitational wave)将近一个世纪之后,终于获得成功。在雷射和镜子的协助下,科学家已直接观测到重力波。

两个相互环绕运行的黑洞,一个是太阳质量的36倍,另一个是太阳质量的29倍,高速相撞,释放出重力波。

从大约13亿光年之遥,这些重力波向外扩散,有如宇宙中的涟漪,在去年9月14日通过地球,在四组镜子的距离上造成非常小、但可测量的改变-其中两组镜子在路易斯安那州,另外两组在华盛顿州。

在两个黑洞合并的最后一刻,它们释放出的能量是宇宙所有银河所有恒星释放能量总和的50倍。

加州理工学院物理学家莱兹(David Reitze)在记者会上宣布这项重大发现时表示:「这是宇宙首次以重力波与我们对话。」

对于监控「雷射干涉仪重力波天文台」 (LIGO)的科学家而言,地球上收到的讯息像是鸟儿啁啾(chirp),先前预期将会伴随两个黑洞的死亡与合一而来。

「我们可以听到重力波,我们可以听到宇宙,」路易斯安那州立大学物理与天文学教授凯碧欧拉・冈萨雷兹(Gabriela Gonzalez)说。 「我们不仅可以看到宇宙,现在还能用听的。」

许多人认为,这项发现可望赢得诺贝尔奖。有关LIGO团队这项重大发现的消息在社群媒体上流传已久,就算没有数月、也有数周的时间,不断传出即将会有正式的发布会。

经过数十年的计画和戏剧性的政治事件之后,LIGO团队在2002年首次尝试侦测重力波;经过八年无声无息之后,侦测器在2010年关闭,并且进一步隔离干扰噪音。

所以,当LIGO团队进阶观测工作于去年9月18日再度展开时,科学家相当乐观相信,他们可以找到某些东西。

命运的奇特转折,他们已掌握到一次侦测。在正式观测开始之前,侦测器已启动和运行,并已获得一项极度诱人的讯息。这项讯息先被路易斯安那州侦测器发现,千分之七秒后,华盛顿州也侦测到了。

「我们很有信心,当状况来临,一定是好的状况。我们是否会惊讶状况好到像是梦幻一般?当然会。我的反应是,哇。我真是难以置信。」莱兹说。

当黑洞相撞

运用爱因斯坦的方程式,科学家从可观察波返回,回头来决定何种天体物理活动造成重力波。在本案例中,这些方程式指出,两个相撞的黑洞是元凶,并且当它们合并时,会形成一个新的黑洞,是太阳质量的60倍多。

黑洞由死亡和殒落的恒星组成,是已知宇宙中最为奇特的天体之一;如果你可以称它们为「天体」。 「一般很容易把黑洞想成一团物质,由于十分密集,以致它的引力捕捉一切靠得太近的东西,甚至是光。但是,要称黑洞是『物质』或『天体』,倒不如称它是强烈弯曲、无底空时的区域。因此,当两个黑洞合并时,这活动决不普通。」

「有点像是弯曲空间的翻腾混乱,快速地变动中,」温斯坦如此形容。

在LIGO团队侦测到的相撞中,两个黑洞慢慢地互相环绕运行,长达数百万年或是数十亿年之久。但是,随着两个黑洞愈来愈接近,它们的轨道速度加快,直到最后以大约光速的一半互相环绕运行,并释放出巨大的能量,以扭曲空时的重力波形式呈现。

然后,两个黑洞合并。在合并前的最后一刻,环绕运行的两个黑洞释放出更多的能量,比整个宇宙释放所有形式的能量还要多。一旦合并完成,合并产生的新黑洞左右摇晃,随即安定下来,进入所谓的铃荡(ring-down)阶段,也就是安静下来前的最后喘气。

这是令人印象深刻的故事,由地球上镜子之间的极小距离改变所揭露。

国家无线电天文台(National Radio Astronomy Observatory)天文学家史考特・兰森(Scott Ransom)表示﹕「数据看来令人十分惊异。」他看过LIGO团队的手稿,稿件并已刊登于《物理评论通讯》 (Physical Review Letters)。 「看到侦测器『原始』输出中的波,没有任何特殊的统计格​​式处理,超乎所有人的期待。」

LIGO团队的科学家相信,信息是真的;事实上,他们计算过,误报的机率每20万年不会超过一次以上。对于团队目前收集到的所有潜在重力波侦测,并不适用。团队发现,至少还有一个候选信息,那是在去年10月12日侦测到的,是由合并的黑洞所产生,但科学家不敢断言这不是误报。

新纪元,外加其他搜寻

这次发现是科学家首次直接捕捉到重力波,并非首次证明重力波的存在。 1974年,乔・泰勒(Joe Taylor)和罗素・赫尔斯(Russell Hulse)侦测到当时一种新的奇异天体﹕脉冲双星,也就是两颗中子星互相环绕运行。泰勒和赫尔斯确定,脉冲星的轨道收缩,并且了解唯一的原因就是重力波把能量带离了系统。

这项发现证明了重力波的存在,泰勒和赫尔斯因此赢得1993年诺贝尔物理奖。

这里的差别在于LIGO团队直接观测到地球上的重力波,这项发现将为天文学开创新的纪元,协助天文学家更进一步窥探宇宙。

以重力波来观看宇宙,可能类似科学家首次以红外线、X光或微波观看天空。数千年以来,天文学家以可见波波长观看天空;人们可以看到恒星和行星,观看它们在天际移动。但是红外线宇宙充满炙热、含尘量高的星团,那里正是恒星诞生之地;X光宇宙可见恒星尸体;微波宇宙充满大霹雳的热遗迹。以重力波观看天空,同样将为天文学带来革命性的影响。

身为普林斯顿大学天文物理学家的泰勒以黑洞为例指出,「电磁辐射并未让我们如愿以偿,这是研究宇宙中远距天体和现象的新方法。」「我们怀疑黑洞可能存在,我们已在银河的中心看过黑洞的证据,如今我们将有直接侦测黑洞的方法,这和以往是很不一样的。」

聆听重力波

LIGO团队观测到,当两个黑洞愈来愈接近,它们释出重力波,频率和振幅都增加,地球上收到的讯息像是鸟儿啁啾(chirp)。影片中最先的啁啾是重力波的频率,接下来的啁啾频率较高,比较适合人类的听觉范围。

不仅如此,在未来的数十年中,其他的实验可能也会侦测重力波。其中一项名为「NANOGrav」,使用毫秒脉冲星-控制时间出奇精准-当作天然的重力波侦测器。随着重力波穿越脉冲星,它们会短暂干扰脉冲星转动的时机,因而留下证据记号,可在天际上追踪。

LIGO团队关注恒星质量激变所产生的重力波,和LIGO团队不一样的是,这些脉冲星转动时机排列,将可侦测盘旋上升的超大质量黑洞所产生的更长涟漪现象。

另一个倡议中的实验是发射重力波观测器eLISA进入太空,届时将对所有天体物理系统产生的波保持敏锐。然后,也有团队志在寻找原始重力波,那是宇宙初期快速扩张时所产生的。 2014年,BICEP2团队宣布发现这些重力波,但讯息后来证明不确实。

重力波天文学要成为主流还要一阵子。但是,如果成真,迄今仍停留在数学范畴的这些极端、看不见的宇宙活动,将会进入可观察的领域,平添全新的谜团,留待人类去解决。

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