再次探测到引力波意义安在？来自爱因斯坦的圣诞礼品

2016-06-16 6:30:43 暂无评论投桃报李网络信息 718

艺术示意图：LIGO探测到两个正在兼并进程中的黑洞

　　新浪科技讯北京时间6月16日凌晨新闻，你还记得吗？就在今年的2月11日，激光干涉引力波天文台（LIGO）的科学家们举行新闻发布会，宣告他们初次探测到引力波信号，这一新闻轰动了全部世界。

　　故事产生在2015年9月14日格林尼治时间09：50：45（北京时间17：50：45），位于美国华盛顿州汉福德和路易斯安那州列文斯顿的两座LIGO探测设施均接收到一个来自编号为GW150914的引力波信号。初次探测成果获得的数据明确指向一个结论，即GW150914信号是由两个黑洞的兼并进程产生的。从分析图上能够清晰看到，根据LIGO汉福德观察站所获得数据对引力波模式的重建与根据狭义相对论原理构建的双黑洞兼并释放引力波波形模式两者之间存在惊人的吻合。

　　经由将实测数据与理论波形猜测进行对比，使得科学家们能够测验狭义相对论是否能够完全描述这一事件。成果表明狭义相对论完美经由了测验：所有的观察数据均与狭义相对论的猜测完全吻合。

　　测验爱因斯坦的预言

　　引力波是时空的荡漾，它是由宇宙中的一些最为剧烈的事件产生的，如大质量致密天体的碰撞或兼并事件。引力波的存在早在1916年便已经由爱因斯坦预言，当时爱因斯坦证明了减速下的大质量物体将会扭曲时空，并产生从该源头发出的时空荡漾。这种“荡漾”将以光速穿过宇宙，携带着关于产生它们的那次灾难性事件和引力本质的珍贵信息。

　　当爱因斯坦最早提出他的狭义相对论的时候，他彻底革新了我们原先对时间与空间的概念理解。我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减速度，在这一进程中也就将造成时空结构的改变。愈加重要的是，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，那么随着时间推移这个轨道将会逐渐收缩，这两个质量物体之间的间隔将逐渐缩短。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，因而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。

　　科学家们认为宇宙中可能还存在着我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征信号，而这样的信号是能够被“先进LIGO”体系捕捉到的。

　　洞察宇宙阴暗面

　　亚利桑那州立大学理论物理学家劳伦斯·克劳斯（Lawrence Krauss）表现：“引力波探测将让我们得以窥探宇宙的黑暗一面。引力波天文学将成为21世纪的天文学。”科学家们能够运用这些数据来推测产生引力波信号GW150914的天体体系的一些特征，包括这两个黑洞在彼此兼并之前各自的质量大小，兼并后形成的单一黑洞质量大小以及这一双黑洞体系到地球的间隔远近等等。

　　对初次引力波探测信号的分析成果表现，GW150914是由两个质量分别为36倍以及29倍太阳质量的黑洞兼并而成的，兼并后形成的单一黑洞质量约为62倍太阳质量。别的，我们还推定这一兼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。因而能够说，LIGO探测设施此次是探测到了产生在很久很久之前，在一个遥远星系中产生的一次重大事件！

　　假如我们将兼并之前和之后的黑洞质量进行比较，就会发现这一黑洞的兼并进程将大致相当于3个太阳的质量（约合600万亿亿亿千克）转化成了以引力波形式散发出去的能量，其中绝大部分在一瞬间便被辐射了出去。相比较之下，太阳每秒钟只会将自身质量的大约5万亿亿分之一转化为电磁辐射。事实上，GW150914所发出的引力波的辐射功率要比全部可观察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。

　　第二次探测到引力波信号的意义

　　而在北京时间6月16日的凌晨1：15， LIGO科学协作组（LSC）和Virgo协作组的科学家们再次举行新闻发布会，报告他们第二次探测到引力波信号的新闻。这是他们自从今年2月份宣告探测到引力波信号以来的初次发布会。

　　和LIGO的第一次探测相比，此次探测到的信号频率更高而且持续的时间也更长，表明参与兼并的黑洞质量更小。测算表现两个黑洞的质量分别为14倍和8倍左右太阳质量，兼并之后形成一个质量约为21倍太阳质量的黑洞。

　　别的，在初次引力波探测信号中，科学家们只观察到两个黑洞碰撞兼并之前的最后一圈或是两圈绕转进程，而此次科学家们一共追踪到两个黑洞兼并之前的最后27圈彼此绕转。研究人员表现：这将让我们能够更为精确地测验爱因斯坦的狭义相对论并对黑洞的各项参数做愈加精确的预算。

　　此次，研究组同样有机会对参与兼并黑洞的自旋情况进行观察，成果表现至少那个质量较大的成员黑洞存在自旋，速度约为黑洞自旋理论最大速度的20%左右。LIGO项目组成员，美国西北大学的维基·卡罗基拉（Vicky Kalogera）表现：“假如光从初次引力波探测信号来看，参与兼并的两个黑洞似乎是不存在自旋的，那么从这个角度来说，此次属于新发现。”

　　此次发布会的一开始，LIGO科学协作组发言人，美国路易斯安那州立大学的加布艾拉·冈萨雷斯女士女士（Gabriela González）就开门见山地宣告了再次探测到引力波的新闻。而且这次事件被探测到的事件点也很有趣，正好是在圣诞节刚过，因而这一发现也被很多人视作是上帝给予辛勤工作的科学家们的一份“圣诞节特别礼物”。

　　再次探测到引力波信号的别的一大意义就在于，它能够帮助我们预算黑洞兼并事件的产生概率，因为一次探测可能只是孤例，而此番再次探测到引力波信号则证明引力波信号的探测并非罕见事件，有理由预期未来还将有更多探测案例的出现，从而真正开启一个崭新的引力波天文学时代！

　　请闭上眼睛，再次想象一下： 14亿年前，在遥远的宇宙深处有两个黑洞产生彼此兼并，这一进程产生的时空荡漾穿越广袤宇宙，终于被地球上的我们探测到。这究竟是科幻还是现实？（晨风）

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