引力波探测证实！人类初次直接观察双黑洞体系

示意图：两个黑洞的兼并进程。科学家们以为黑洞的兼并进程将产生强烈的引力波信号

示意图：一颗被撕裂的中子星。类似的事件将会产生剧烈的引力波信号

仙后座A（Cassiopeia A），银河系中已知最年轻的超新星遗迹，也是天空中除太阳外最强的射电源

　　新浪科技讯 北京时间2月11日晚间消息，“激光干预引力波天 文台”（LIGO）官方刚刚宣告：在爱因斯坦提出引力波概念100周年后，引力波被初次直接观察到。

　　来自一个双黑洞体系产生的引力波信号在公元2015年9月14日国际标准时间9：51（北京时间17：51）由两座分离设置在华盛顿州和路易斯安那州的LIGO观察台探测到。这也是人类初次直接观察到一个“双黑洞”体系。LIGO名目发言人Gaby González表示此次LIGO探测到的引力波信号来自两个黑洞的兼并，这两个黑洞质量分离为29个和36个太阳质量，兼并进程中有相当于3倍太阳质量的能量被以引力波形式释放出去。

　　发布会上，LIGO名目执行主管David Reitze说：“今天，咱们开启了引力波天文学的崭新时代。”

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    时空中的涟漪

　　当爱因斯坦最早提出他的狭义相对论的时候，他彻底革新了咱们原先对时间与空间的概念理解。咱们此前一直以为空间是恒定而不变的，物质和能量存 在于此中。但 爱因斯坦的理论指出空间实际上与能量和质量之间都是彼此联系的，并且随着时间推移空间也在产生变化。假如只存在一个质量物体，静止地存在于时空之中（或者 处于匀速运动状态），那么它所处的时空不会产生变化。但假如你加入第二个质量物体，那么这两个物体之间就会产生彼此运动，互相会向对方施加一个加速率，在 这一进程中也就将形成时空结构的改变。愈加主要的是，由于存在一个大质量粒子在引力场中运动，狭义相对论指出这一大质量物体将会被加速，并释放一种特殊的辐射：引力辐射。

　　这种引力辐射与你所知的其他任何种类的辐射都差别。它会以光速穿越空间，但它自身又是空间中的涟漪。它从被加速的物体带走能量，这就意味着，如 果这两个质量 物体处于彼此运转的轨道之中，那么随着时间推移这个轨道将会逐步收缩，这两个质量物体之间的间隔将逐步缩短。不过不要太过担心，对像地球围绕太阳运转这 样一个体系，相对而言这两个天体的质量还太小，而两者之间的间隔又非常巨大，因此在引力波耗散能量的条件下，这个轨道也将需要经过10的150次方年才会衰减崩溃，如此长的时间早已远远超过了宇宙的年龄，事实上这也远远超过了已知所有恒星的寿命！然而对彼此绕转的黑洞或中子星而言，它们之间存在的轨道衰 减效应则已经被观察到了。

　　科学家们以为宇宙中可能还存在着咱们尚未探测到的更高能的事件，如黑洞的彼此兼并。这类事件应当会产生某种特点信号，而这样的信号是能够被“进步LIGO”体系捕捉到的。

　　进步LIGO探测器

　　从本质上而言，“进步LIGO”体系采用的探测手法是相当简单而直接的，它利用了引力波辐射的本性和它最主要的性质之一。引力波会形成空间的拉伸或压缩，其频率和强度取决于形成这种引力 波的天文事件所具有的一系列特点，如两个彼此绕转天体各自的质量大小、它们两者之间的间距以及这一体系间隔地球的远近。“进步LIGO”设备包含两条互相 垂直的长臂，长度均为4公里。将一束激光用分光镜分成夹角为90度的两束，然后两束激光分离被4公 里外的反射镜反射回来并产生干预，并且这样的反射能够来回进行多次，从而大大增加激光运转的路径长度。由于频率和波长纯粹一致，在正常情形下，这两束激光 应当是纯粹相同的，但是假如存在引力波作用，则会对这两束激光的波长频率产生影响，从而导致两束激光在叠加的干预条纹上呈现改变。这样的改变将能够让科学 家们判断两个绕转天体各自的质量大小、它们之间的间距以及这玩意体系到地球之间的间隔等丰富的信息。

　　进步LIGO包含两处设备，分离位于美国西北部（华盛顿州）以及美国东南部（路易斯安那州）。假如这两处设备均观察到同样的信号，那么咱们几乎 就能够肯定咱们的确是观察到了引力波信号了。现在版本的LIGO体系对质量在1倍太阳质量到数百倍太阳之间之间的两个黑洞兼并进程可能产生的引力波信号最为敏感，且其探测能力能够覆盖间隔地球数百万光年之外——在这样一个巨大的空间范围内，符合条件的黑洞兼并事件每年都会至少产生几次。

　　意义重大的引力波

　　这项发现将是对爱因斯坦狭义相对论的又一次证明，后者在将近100年前便预言了引力波的存在。但引力波被初次直接探测到的意义还远不仅于此，它还有着愈加重大的意义。作为时空自身的震动，引力波常常会被人和声波进行对照。事实上，引力波千里镜能够让科学家们在光学千里镜“看到”某个现象的同时“听到”它的“声音”。

　　有趣的是，当LIGO名目在上世纪90年代早期寻求美国政府的资金支持时，它在国会面对的最大反对者竟然是天文学家们。美国佛罗里达大学狭义相对论专家，LIGO名目的早期支持者克里福德·威尔（Clifford Will）指出了呈现这种情形的原因：“当时普遍的观点是以为LIGO这个名目与天文学之间似乎关系不大。”而反观今天的情形，人们对此的观点已经纯粹变化了。

　　欢迎来到引力波天文学的世界！

　　一、黑洞真的存在吗？

　　正如外界所传言的那样，此次宣告的消息是有关两个黑洞兼并进程中产生的引力波信号。这样的事件是宇宙中最高能的事件之一——这一进程中产生的引力波信号强度 甚至能够短暂超过全部可观察宇宙中所有恒星产生的引力波效应之和。与此同时，来自两个黑洞兼并时所产生的引力波也是所有引力波范例中信号最清晰，最便于解译的范例之一。

　　当两个黑洞以螺旋形轨道逐步彼此靠拢时，兼并进程便开始了，在此期间会释放出引力波。这种引力波拥有特点性的信号，科学家能够利用这些特点信号解译出兼并的 两个黑洞各自的质量大小。在那之后，实际上这两个原先独立的黑洞就融为一体了。法国巴黎高等学术研究所的引力理论学家迪尔巴特·达摩尔（Thibault Damour）指出：“这就有点像是你将两个肥皂泡泡靠得很近，以至于它们最终融合一体了。而在兼并的初始阶段，较大的那个泡泡会产生歪曲变形。”黑洞兼并的情形非常类似，而一旦兼并进程完成之后，形成的单一黑洞将恢复为完善的球形。

　　探测到黑洞兼并产生的引力波信号，此中的一项意义可能会出乎一部分人的意料，那就是证实黑洞的存在——至少由爱因斯坦狭义相对论中所预言的那种纯粹、空旷的歪曲封闭的时空区域的确是存在的。这一信号的另外一层意义是能够让科学家们确认黑洞的兼并进程的确是与先前的理论预测相吻合的。天文学家们手里已经掌握了 许多此类现象存在的证据，但到现在为止它们都来自对围绕黑洞周围存在的恒星以及高温气体行为的观察，也就是间接证据，而非来自黑洞自身的直接证据。

　　美国普林斯顿大学的狭义相对论专家弗兰斯·普雷特瑞斯（Frans Pretorius）指出：“全部科学界，包含我本人，都已经对黑洞的话题感到厌倦，咱们已经对此习以为常了。然而假如你想要宣告一项激动人心的预言，那么咱们就需要看到非常扎实的证据。”

　　二、引力波是以光速流传的吗？

　　当科学家们将来自LIGO的观察结果与来自其他范例千里镜的观察数据进行对照时，他们检查的第一个名目往往就是查看这两个信号是否是在同一时间到达的。物理学家们以为引力是由一种被 称作“引力子”的粒子负责传递的，它们就像构成光线的光子一样。而假如这些粒子也像光子那样不具有质量，那么引力波就将能够以光速流传，从而与狭义相对论 中关于引力波应当能够以光速流传的预言相吻合。

　　然而另外一种可能性就是引力子可能具有极小的质量，假如情形是那样，这就意味着引力波的流传速率可能无法达到光速。假如的确如此，那么LIGO等设备将会发现来自悠远天文事件中产生的引力波信号到达地球的时间要比工作在γ射线波段等“传统”千里镜的探测到信号的时间稍晚一些。假如这一情形呈现，那就将构成对基础物理学理论的重大挑战。

　　三、时空是由“宇宙弦”组成的吗？

　　假如能够探测到来自所谓“宇宙弦”的引力波信号，那么则会呈现愈加诡异的情形。所谓“宇宙弦”是一种假想中存在的宇宙时空弯曲中的缺陷，它可能与弦论有关，也可能无关。这种“宇宙弦”无限薄，但长度却能拉长到宇宙尺度。研究人员以为，这种宇宙弦假如的确存在，可能会产生一些扭结；而假如此中的一根弦断裂，则 会产生一阵引力波涟漪，这样的信号应当是能够被LIGO这样的设备监测到的。

　　四、中子星是完善的球体吗？

　　中子星是大质量恒星死亡之后留下的残骸，它们的密度极高，以至于将组成它们自己的原子中的电子压入了原子核，并与此中的质子中和形成了中子。科学家们对中 子星环境下的极端物理了解甚少，而引力波将能够为咱们提供这方面的全新信息。举例来说，中子星的超强引力场理论上会使全部中子星星体成为完善的球体。但一些研究人员却以为在中子星上可能仍然会存在“山峰”——尽管高度可能只有几个毫米。但尽管如此不起眼，但严格来说，这些小“突起”的存在也的确让这样一类 直径一般仅有10公里左右的高密度天体的完善球体外观被打破了。通常情形下中子星的自转速率是非常快的，因此任何的微小凸起都将形成时空的歪曲并产生连续的引力波信号，这种引力辐射进程会带走一部分能量并形成中子星自转速率的逐步下降。

　　彼此绕转的两颗中子星也会产生连续的引力波信号。和黑洞一样，这两颗中子星会最终彼此靠近并融合为一体。但这一进程和黑洞兼并进程存在本质差别，普雷特瑞斯指出：“你面临大量差别的可能性，这取决于中子星的质量以及构成中子星的高密度物质能够施加的压力大小。”举例而言，两颗中子星兼并后的结果可能是一个质量更大的中子星，但另外一种可能性是，这两者兼并之后立即在巨大压力下塌缩，形成一个黑洞。

　　五、是什么引燃了恒星爆炸？

　　当一颗大质量恒星耗尽其自身外部燃料时，它将迎来死亡的时刻，在一次巨大的暴发之后形成黑洞或中子星。天体物理学家们以为这一进程正是形成II型超新星暴发的元凶。对这类超新星暴发进程的模拟研究现在还未能明确给出是什么直接“点燃”了此类剧烈暴发的答案，但对来自实在超新星暴发进程所产生引力波信号的倾听和分析将有望帮助咱们最终找出这个问题的答案。根据这些引力波信号的波形特点、强度、频率以及引力波信号与电磁波信号到达时间之间的彼此关系，这些数据将帮助科学家们证实或排除现有的一些理论模型。

　　六、宇宙收缩的速率有多快？

　　宇宙的收缩意味着那些自身正在远离咱们的悠远星系，它们的光谱红移值会大于实在数值，因为它们所发出的光线在到达咱们的路途中会由于空间自身的收缩而被拉伸。宇宙学家们正是根据对悠远星系光谱红移值的观察，并将这一数值与这些星系的实在间隔进行对照，从而反推出宇宙的收缩速率的。而对这些悠远星系的实在间隔，则是根据这些星系外部呈现的所谓Ia型超新星暴发亮度进行预算的。这种预算方法在天文学间隔测量上被广泛使用，但必须承认这种方法同时也存在着很大的不确定性。

　　而假如全世界各地的多个引力波探测设备都检测到来自同一次中子星兼并事件的引力波信号，那么将这些来自差别设备的观察数据结合起来，科学家们将有机会计算出这一信号的绝对强度，而这也将反过来让咱们得以可靠地计算出这一中子星兼并事件产生地与地球之间的间隔有多远。同样的，咱们还能够判断出信号发来的方向， 并据此进一步找到这一兼并事件究竟产生在哪一个具体的星系外部。接下来，通过对这一星系红移值的观察，并将其与引力波信号得到的实在间隔进行对照，咱们将能够有机会在更高的精度上实现对宇宙收缩速率的预算。（晨风）

转载自:https://tech.sina.com.cn/d/s/2016-02-11/doc-ifxpmpqt1087639.shtml

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