假如探测到引力波的新闻被证实 将意味着什么?

示意图:两个黑洞的兼并进程及其对背景星光的扭曲形变效果示意图:两个黑洞的兼并进程及其对背景星光的扭曲形变效果
一个中央存在两个黑洞的星系一个中央存在两个黑洞的星系

  新浪讯  北京时间2月11日新闻,在过去的近10年里,尽管圈子非常小,但一个全新的天范畴的确正逐步出现,那就是引力波天。和传统天文学使用天文望远镜对宇宙进行观察不同,引力波探测器使用的是激光和反射器,研究人员会让激光在两块呈直角方位的反射镜之间来回,并观察两束光波叠加时所呈现的干预条纹特点。这正是位于美国的“激光干预引力波天文台”(LIGO)所采取的做法。在2002年至2010年之间的运转时期,LIGO设备验证了其设计概念的可行性,随后经历了长达5年的关闭进级。直到2015年9月份,进级后的该设备被重新启用并被称作“进步LIGO”。而就在今天晚上,北京时间2月11日23:30许,进步LIGO协作组即将对外他们的首个主要科学成果。对此,外界普遍的猜测是:他们将要宣布初次直接探测到引力波信号的新闻。假如这个新闻最终结果被证实,这将意味着什么?

一个脉冲星双星体系及其产生的时空荡漾(引力波)示意图一个脉冲星双星体系及其产生的时空荡漾(引力波)示意图
LIGO设备任务原理图LIGO设备任务原理图

  时空中的荡漾

  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与空间的概念理解。咱们此前一直认为空间是恒定而不变的,物质和能量存在于其中。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,而且随着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减速度,在这一进程中也就将造成时空结构的转变。更加主要的是,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减速,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不同。它会以光速穿越空间,但它本身又是空间中的荡漾。它从被减速的物体带走能量,这就意味着,假如这两个质量物体处于彼此运转的轨道之中,那么随着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。

  科学家们认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。这类事件应该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设备的引力波探测范围示意图进步LIGO设备的引力波探测范围示意图
进步LIGO设备进级进程中,工程师正在任务进步LIGO设备进级进程中,工程师正在任务

  进步LIGO探测器

  从本质上而言,“进步LIGO”体系采取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。引力波会造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”设备包括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,然后两束激光分别被4公里外的反射镜反射回来并产生干预,而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。由于频率和波长完全一致,在正常情况下,这两束激光应该是完全相同的,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出现转变。这样的转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一体系到地球之间的间隔等丰富的信息。

  进步LIGO包括两处设备,分别位于美国西北部(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。目前版本的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。

  假如今晚LIGO协作组真的如外界所传言的那样,正式宣布探测到引力波信号的新闻,那么这一新闻所承载的意义将远远超出其本身——这将是对爱因斯坦狭义相对论的全新检验,也是人类历史上对引力辐射初次成功的直接探测。“进步LIGO”是有史以来人类建造的最进步的引力波观察设备,因此也是最有希望能够窥见真实引力波信号的地方。该名目有超过1000名顶尖科学家参与其中,因而也使其成为规模最为庞大的引力波搜寻国际协作研究名目。假如所有科学目标都能够如预期中的那样达成,那么就在今晚,咱们将一起见证一个全新天文学时代的开端。

  尽管这次的新闻最早是由一位名目组之外的科学家劳伦斯·克劳斯(Lawrence Krauss)最先披露的,因而也引发了外界的广泛批评——因为这样的新闻理应是由当事方,也就是LIGO名目协作组来负责对外的。但不管如何,就在今晚,假如引力波被初次直接探测到的新闻能够得到证实,那么这些都将显得不再那么主要,因为咱们将会因此受益良多:咱们将会再次确认爱因斯坦是对的,引力辐射是真实存在的,而且黑洞的兼并进程的确会产生这样的引力辐射,而更主要的是,这样的引力辐射信号是能够被 从地球上探测到的。这将是一个全新的天文学范畴,一个不需要望远镜的新的天文学范畴,它将引领咱们打开理解黑洞、中子星和其他难以采取传统方法进行观察的天体类型的全新视野。(晨风)

转载自:https://tech.sina.com.cn/d/s/2016-02-11/doc-ifxpmpqt1084219.shtml

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