一文读懂刚发现的13亿光年外黑洞引力波,“时空如何扭曲”

摘要: 在《三体》和《星际穿越》等著名科幻作品中,引力波都是极重要的“角色”,也是爱因斯坦相对论的最伟大预言,如今被证实。人类的好奇心,以及我们未知的宇宙,岂止星辰大海。

钛媒体注:在中国人最愉快喜庆的春节,美国科学家们宣布了科学界重大发现。“我们成功检测了引力波!” 美东时间2016年2月11日10点30分(北京时间23点30分),美国激光干涉引力波天文台(LIGO)执行主任大卫•瑞兹宣布。

2016年恰好是爱因斯坦提出相对论的一百周年,但是爱因斯坦当时预言引力波存在的同时,也预言了引力波是不可探测的。显然,人类科技进步的速度在百年时间内也超出了爱因斯坦当年的想象。

“引力波”在过去一直只能是“科幻”一般存在于各类科幻小说和科幻电影中,在大热的中国科幻小说《三体》中,“引力波天线”曾经拯救了几乎快要被灭族的人类。在电影《星际穿越》中,男主角也通过引力波穿越时间和空间给女儿传递信息。

在今天位于华盛顿的发布会上,大卫•瑞兹表示,正如望远镜开辟了现代观测天文学,引力波的发现,开辟了人类观测宇宙一扇新窗。

此时此刻,不妨跟钛媒体重温一下这些经典科幻作品:《《三体》获“雨果奖”,钛媒体对话刘慈欣:《三体》电影要么大成要么被骂死》、《除了《星际穿越》,没看过这四部伟大科幻小说,不足以谈人生》。

五个月前,LIGO真实地捕捉到了引力波信号,科幻再次照进现实。世界协调时间2015年9月14日9:51(北京时间17:51分),位于美国路易斯安那州列文斯顿和华盛顿州汉福德的两个LIGO探测器探测到了引力波信号,LIGO把这次发现命名为GW150914。

基于观测到的信号,LIGO的科学家们估算出信号GW150914是由两个质量分别为36倍以及29倍太阳质量的黑洞合并而成的,合并后形成的单一黑洞质量约为62倍太阳质量。即大约三倍于太阳质量的物质在短短一秒之内被转化成引力波,其功率峰值是整个可见宇宙总功率的50倍。这一引力波首先到达Livingston探测器,7毫秒之后到达Hanford探测器,这意味着引力波源位于南半球天区。

“另外,我们还推定这一合并后产生的黑洞存在自转,这种自转的黑洞最早是在1963年由数学家克尔(Roy Kerr)提出的。因此可以说,LIGO探测设施此次是探测到了发生在很久很久之前,在一个遥远星系中发生的一次重大事件!” LIGO官方如是说。

根据广义相对论,一对黑洞在相互绕转过程中通过引力波辐射而损失能量,逐渐靠近。这一过程持续数十亿年,在最后几分钟里面快速演化。在最后一秒钟内,两个黑洞以几乎是一半光速的超高速度碰撞在一起,并形成了一个质量更大的黑洞。根据爱因斯坦的E=mc2公式,这个过程中一部分的质量转化成了能量,而这些能量在最后时刻以引力波超强爆发的形式辐射出去。LIGO观测到的引力波信号就是这样来的。

事实上,GW150914所发出的引力波的辐射功率要比整个可观测宇宙中所有恒星和星系的光度加在一起的总和还要多出10倍。

什么是引力波?

引力波是加速中的质量在时空中所产生的波动,也被比喻为时空的“涟漪”。爱因斯坦在1916年提出广义相对论,认为引力是由于质量所引发的时空扭曲所造成,任何有质量的物体加速运动都会对周围的时空产生影响,其作用的形式就是引力波。

世界科学界公认,引力波探测是难度最大的尖端科技之一,也是一项意义重大的物理学基础研究。作为爱因斯坦广义相对论中最重要但一直未被证实的预言,引力波是物理学王冠上最耀眼的一颗明珠。

1915年,爱因斯坦发表了场方程,建立了广义相对论。 在之后的这一百年里,被誉为“人类认知自然最伟大的成就” 的广义相对论一直在成长中,我们知道了时空的弯曲以及一些由时空弯曲可能产生的奇异事物,比如黑洞、引力波、奇点、虫洞甚至时间机器。

然而,在过去历史中的某些时期,甚至现在,其中有些事物对它们是否存在提出过强烈的怀疑。就连爱因斯坦本人直到逝世前都还在怀疑黑洞的存在。

广义相对论告诉我们:在非球对称的物质分布情况下,物质运动,或物质体系的质量分布发生变化时,会产生引力波。在宇宙中,有时就会出现如致密星体碰撞并合这样极其剧烈的天体物理过程。

过程中的大质量天体剧烈运动扰动着周围的时空,扭曲时空的波动也在这个过程中以光速向外传播出去。因此引力波的本质就是时空曲率的波动,也可以唯美地称之为时空的“涟漪”。

德国马普引力物理所、清华大学博士后,LIGO科学合作组织成员胡一鸣发布评论说,如果并合过程中释放的所有能量以可见光的形式辐射出来,那么即便它发生在10多亿光年之外,它仍将在一瞬间比满月更耀眼!可是如此巨大的能量,在经过地球时,却仅仅耗散了10-17焦耳的能量,相当于一个X射线光子的能量。纵是弱水三千,我只能取一瓢饮之,引力波的探测之难,亦不难想见。

1915年,爱因斯坦用那美妙的场方程道出了引力的奥秘——时空命令物质如何运动,而物质引导时空如何弯曲。爱因斯坦很自然地就联想到,当物质在时空中运动时,时空会如何随之改变呢?很快,他就得到了一个他称之为引力波的数学解。当一列引力波向你迎面走来时,你会忽而又高又瘦,忽而又矮又胖,并且循环往复——当然,这个变化实在是非常的微小,所以爱因斯坦很快就断言,引力波无法被探测到。

这是人类第一次探测到可以改变时空运动的引力波,也是对爱因斯坦相对论的一次伟大证实,是人类认知历史和科学发展史上一次里程碑式的发现。

引力波是如何被探测到的?

既然连爱因斯坦都预言,引力波无法探测,那么LIGO又是如何被探测到的?

根据官方公布的情况,这一信号首先是由被称作“低延迟搜寻方法”的手段识别出来,该方法经过设计,专门用于对大量数据进行快速判别,其可以在不对信号波形进行细节识别的情况下快速判断出于引力波信号的特征。这一快速搜寻程序在相关信号数据下载后不到3分钟的时间里便识别出了可疑信号并向科学家发出了报告。

随后研究人员开始对这一信号进行进一步分析并与数据库中大量可能的理论波形数据进行比对,这一过程被称作“匹配滤波”,其目的是找到与所收到的信号数据吻合度最好的波形。

此次获得的数据明确指向一个结论,即GW150914信号是由两个黑洞的合并过程产生的。从最前面分析图上可以清晰看到,根据LIGO汉福德观测站所获得数据对于引力波模式的重建(灰色)与根据广义相对论原理构建的双黑洞合并释放引力波波形模式(红色)两者之间存在惊人的吻合。

LIGO官方称,通过将实测数据与理论波形预测进行对比,使得我们能够检验广义相对论是否能够完全描述这一事件。结果表明广义相对论完美通过了检验:我们所有的观测数据均与广义相对论的预测完全吻合。我们同样也能够运用这些数据来推测产生引力波信号GW150914的天体系统的一些特征,包括这两个黑洞在相互合并之前各自的质量大小,合并后形成的单一黑洞质量大小以及这一双黑洞系统到地球的距离远近。

LIGO(激光干涉引力波观测台)是世界上规模最大的引力波观测实验室,同时也是世界上复杂程度最高的物理学实验室之一。它由两座大型激光干涉实验设施组成,两者相距数千公里,分别位于美国路易斯安那州的列文斯顿和华盛顿州的汉福德。LIGO利用光和空间所具有的基本特性开展引力波的探测工作。这一探测原理最早是在上世纪60~70年代提出来的。

在2000年前后世界上先后建成多座引力波干涉仪探测设施,如日本的TAMA300、德国的GEO600、美国的LIGO和意大利的Virgo等等。在2002年至2011年间,这些探测设施进行了联合观测,但最终没有取得有价值的探测结果。而在经过大规模技术升级之后,2015年LIGO设施再次开始运行,这将是一个技术复杂程度高得多的全新全球性引力波观测网络中投入运行的第一台设施。

LIGO首次直接探到引力波,爱因斯坦广义相对论再次被验证!

在LIGO的两个天文台中,全长4公里的L形的LIGO干涉仪将激光分成两束,并在两个干涉臂之间来回穿梭(1.2米直径的管道内保持着近乎完美的真空)。两束激光可以用来以极高的精度测量干涉臂尽头处镜子的位置。

引力波导致的空间拉伸或压缩程度与引力波本身的强度直接相关,这种空间变形通常都非常非常小。对于我们能够探测到的典型引力波信号,空间的变形幅度大约相当于一颗质子直径的万分之一不到。但LIGO实验室具有惊人的高灵敏度,它能够检测到这种程度的空间变形!

不过,为了能够顺利探测到类似GW150914这样的引力波信号,LIGO探测器除了必须具有惊人的高灵敏度之外,还必须能够有能力将真实的引力波信号从大量噪音信号中区分出来。这样的噪音信号有千千万万:比如由于环境变化或设备因素产生的微小扰动,这类信号很容易将科学家们苦苦寻找的真实引力波信号遮蔽掉。

这也是为何LIGO会 选择在两个相距遥远的不同位置分别建立两套完全一样的观测设施的原因,因为这将让我们能够排除本地仪器故障或环境因素导致的干扰信号,因为只有真正的引力 波信号才会同时在两处探测设施中同时出现。当然严格来说可能会间隔千分之几秒,因为还要考虑引力波从一处设施传播到另一处设施所需要的时间。

另外,采用至少两个站点的理由还有很重要的一点:当引力波探测网络中包含了两台或更多探测站点之后,我们就将能够与信号源之间构成一个三角形,从而锁定发射源在天空中的位置。观测网络中参与进来的观测站点越多,信号源在天空中的位置就能被更为精确地测定。

“要实现这一里程碑式的美妙发现,需要全球的科学家们一起合作——在GEO600探测器上开发出来的激光与悬挂减震技术使得Advanced LIGO成为了有史以来人类建造的最为精妙、灵敏的引力波探测器。”格拉斯哥大学物理与天文教授希拉·罗恩(Sheila Rowan)如是说。

独立而又相距极远的天文台,对于引力波事件的方向定位,以及排除局部噪音、确认信号来自空间而言,非常重要。

(本文由钛媒体编辑综合自LIGO科学合作组织、LIGO项目官方报道)

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评论(33

  • really_peral really_peral 2016-02-12 22:56 via iphone

    太高大上,涨姿势了

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  • zuand zuand 2016-02-12 19:41 via iphone

    爱恩斯坦太老了,一百年前就预测到现今发现的东西。

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  • 萧萧风起雨潇潇 萧萧风起雨潇潇 2016-02-12 16:53 via weibo

    一种反物质的存在感,人类是如此渺小。

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  • 钛iX9hB6 钛iX9hB6 2016-02-12 14:07 via iphone

    🐷鼻孔

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  • 雷明之 雷明之 2016-02-14 10:05 via weibo

    //@钛媒体: #摘声#“引力波”在过去一直只能是“科幻”一般存在于各类科幻小说和科幻电影中,在大热的中国科幻小说《三体》中,“引力波天线”曾经拯救了几乎快要被灭族的人类。在电影《星际穿越》中,男主角也通过引力波穿越时间和空间给女儿传递信息。

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  • 阿胶街 阿胶街 2016-02-14 06:35 via android

    就是不一样

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  • 一懿 一懿 2016-02-13 15:00 via iphone

    外空探索的新纪元,人类的脚步不会停息------致科学

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  • 徐茂田 徐茂田 2016-02-13 07:47 via android

    这样的话,之前所有的隐身飞机隐身导弹都逃不出他的眼睛了,雷达又该升级了!!!!中国跟进吧,要快!

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  • 潇澎 潇澎 2016-02-12 22:54 via android

    烧脑

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  • 地理沙龙dili36 地理沙龙dili36 2016-02-12 20:11 via pc

    太深奥了

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  • 西梅吹雪 西梅吹雪 2016-02-12 20:10 via android

    讲那么多,我想知道的是,跟我们有什么关系

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  • 大小说家OS 大小说家OS 2016-02-12 20:05 via weibo

    回复@扬扬老师Sara:看起来!嘻嘻嘻嘻

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  • 扬扬老师Sara 扬扬老师Sara 2016-02-12 19:04 via weibo

    想再看一遍星际穿越。

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  • 余Travelers 余Travelers 2016-02-12 17:25 via weibo

    我看像猪鼻孔

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Oh! no

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