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二度直接观测到重力波的存在 开启天文学的全新时代

这张图呈现两个黑洞结合的过程。当这两个黑洞边旋转边靠近时,重力波如同涟漪般层层向外扩散。 PHOTOGRAPHY COURTESY LIGO, T. PYLE

这张图呈现两个黑洞结合的过程。当这两个黑洞边旋转边靠近时,重力波如同涟漪般层层向外扩散。 PHOTOGRAPHY COURTESY LIGO, T. PYLE

黑洞相撞所造成的震波,显示了重力波能经常被侦测到

黑洞相撞所造成的震波,显示了重力波能经常被侦测到

俯瞰位于美国路易斯安纳州利文斯顿的LIGO侦测站。 PHOTOGRAPH COURTESY LIGO

俯瞰位于美国路易斯安纳州利文斯顿的LIGO侦测站。 PHOTOGRAPH COURTESY LIGO

(神秘的地球uux.cn报道)据美国国家地理(撰文:Michael Greshko 编译:李昫岱):黑洞相撞所造成的震波,显示了重力波能经常被侦测到,这开启了研究宇宙的崭新面貌。

重力波是时空中的涟漪,这是科学家二度直接观测到重力波的存在,开启了天文学的全新时代。

这与2月份发表历史上首次的重力波观测非常相似,第二次是发生在十亿多年前,为两个黑洞合而为一的剧烈过程中所留下的痕迹;该「致命吸引力」在宇宙中形成涟漪般的震波,当震波通过地球时,天文学家便记录了下来。

宇宙中最剧烈的天文事件,例如黑洞合并以及致密中子星的碰撞,都会造成重力波。这提供科学家一个观察宇宙的全新方法,让科学家有机会可以测量及研究任何波长的光线都看不见的事物。

这次观测意谓第一次由雷射干涉仪重力波天文台LIGO(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)观测到的重力波,并不是侥幸而已,未来有可能侦测到数百次,甚至数千次的重力波。

资助LIGO的美国国家科学基金会(National Science Foundation),其主席为天文物理学家法兰斯·科尔多瓦(France Córdova),他表示「如果你只是侦测到单次重大事件,虽然很酷,但有种虚幻不真实的感觉;不过当你侦测到了第二次,你才会知道那是真的观测到了,这表示我们确实有一个观看宇宙的全新方法。」

爱因斯坦在1916年预测重力波的存在,但后世直到2015年9月14日才首度侦测到重力波,这才结束了近百年来物理学家搜寻不到重力波的挫折。

虽然爱因斯坦后来对重力波的存在抱持疑虑,他的广义相对论却需要重力波来解释。之后,1970年代脉冲星观测提供一些间接的证据,显示重力波应该存在,这让参与其中的科学家于1993年获得诺贝尔物理奖。

LIGO第一次的侦测包含两个质量皆超过太阳30倍的巨大黑洞,但第二次的讯号来自一组较小的黑洞,其中之一的质量大约是太阳的14倍,而另一个大约7.5倍。

当这些黑洞彼此互绕且合并后,形成一个质量大约是太阳21倍的新黑洞,并且释放出相当于太阳在100亿年生命周期中所能产生能量的总和。

这些碰撞产生的「回音」在太空中回荡了14亿年,于2​​015年12月26日通过地球。

透过架设相距数公里的雷射及反射镜,两座分别位于美国路易斯安纳和华盛顿的L型侦测站得以测到微小震波,这个震波会把地球拉长,不过拉长的长度不到质子直径的万分之一(质子是构成原子的一种基本粒子)。

大约70秒后,正在与家人团聚的宾州大学物理学家查德·汉纳(Chad Hanna)接到电话。

负责LIGO团队分析黑洞合并资料的汉纳说:「这太疯狂了,我从椅子上跳起来,意识到事情大条了,拿起我的笔电和电话就往楼上跑。」他补充说「我家人很关心。」

汉纳以及超过一千位科学家和工程师当时仍然在努力证实2015年9月的侦测,结果他们在同年冬季花上双倍时间,同时进行这两次侦测的分析。最后,科学家们厘清12月那起相对较小的事件,将研究结果发表于6月的《物理评论通讯(Physical Review Letters)》。

在公布第一次侦测的分析前就侦测到第二次的重力波,让LIGO团队的科学家更有信心发布2月的结果,这个结果是数十年来最重要的物理发现之一。

麻省理工学院LIGO实验室主任戴维斯·舒梅克(David Shoemaker)说「这有点像是在捉弄我们。」他也主持了该天文台近期多项升级计画。 「我们感到放心许多,因为知道这太空葫芦里究竟在卖什么药。」

发布结果前,对于重力波天文学的预测从未如此明朗而显著。

研究人员指出目前LIGO的运作灵敏度仅为原本设计的三分之一;如果依照计画升级,就能在2019年前多扫描宇宙27次,保证能侦测到更多的重力波事件。

侦测重力波一事很快就会蔓延到地球上其他角落:上个月美国国家科学基金会与印度签订一份协议,可能最快会在2023年将类似LIGO的天文台带到印度;日本的研究人员也正在兴建一座地下的重力波侦测器,或许最快会在2018年启用。

目前暂缓启用的义大利重力波天文台- VIRGO,将会协助研究人员对天空作三角测量,找出重力波的位置,让天文学家可以用光学望远镜观测。科尔多瓦以「圣杯」来描述这样的合作团队。

美国国家无线电天文台的天文学家史考特·兰塞姆(Scott Ransom)说:「重力波天文学的时代将由我们来开拓,这真的令人非常兴奋。」





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