引力波为何重要？ 探索宇宙起源多了一种新途径

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引力波为何重要？ 探索宇宙起源多了一种新途径
来源： 本文来自互联网                        2016-02-12 08:36:07


腾讯太空讯 美国当地时间2月11日上午10点30分（北京时间2月11日23点30分），美国国家科学基金会（NSF）会同加州理工学院、麻省理工学院以及LIGO科学合作组织的科学家在华盛顿特区国家媒体中心宣布：人类首次直接探测到了引力波。这一引力波信号于世界协调时间2015年9月14日9:51(北京时间当天下午5:51分),由分别位于路易斯安那州列文斯顿(Livingston,Louisiana)和华盛顿州汉福德(Hanford,Washington)的激光干涉引力波观测台(LIGO)的一对探测器探测到。这次探测到的引力波是由13亿光年之外的两颗黑洞在合并的最后阶段产生的。两颗黑洞的初始质量分别为29颗太阳和36颗太阳，合并成了一颗62倍太阳质量高速旋转的黑洞，亏损的质量以强大引力波的形式释放到宇宙空间，经过13亿年的漫长旅行，终于抵达了地球，被美国的“激光干涉引力波天文台”（LIGO）的两台孪生引力波探测器探测到。探测到的引力波信号初始频率为35赫兹，接着迅速提升到了250赫兹，最后变得无序而消失，整个过程持续了仅四分之一秒。位于利文斯顿的探测器比位于汉福德的探测器早探测到7毫秒，这个时间差表明引力波是从南部天区传来。引力波是什么？在物理学上，引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动，如同石头丢进水里产生的波纹一样，引力波被视为宇宙中的“时空涟漪”。通常引力波的产生非常困难，地球围绕太阳以每秒30千米的速度前进，发出的引力波功率仅为200瓦，还不如家用电饭煲功率大。宇宙中大质量天体的加速、碰撞和合并等事件才可以形成强大的引力波，但能产生这种较强引力波的波源距离地球都十分遥远，传播到地球时变得非常微弱。1974年物理学家约瑟夫·泰勒（Joseph Hooton Taylor, Jr）和拉塞尔·赫尔斯（Russell Alan Hulse）发现了一颗编号为PSR B1913+16的脉冲星，他们发现该脉冲星处于双星系统中，其伴星也是一颗中子星。根据广义相对论，该双星系统会以引力波的形式损失能量，轨道周期每年缩短76.5微秒，轨道半长轴每年减少3.5米，预计大约经过3亿年后发生合并。自1974年，泰勒和赫尔斯和对这个双星系统的轨道进行了长时间的观测，观测值和广义相对论预言的数值符合得非常好，这间接证明了引力波的存在。泰勒和赫尔斯也因这项工作于1993年荣获诺贝尔物理学奖。探测引力波有什么意义？引力波天文学将是继传统电磁波天文学、宇宙线天文学和中微子天文学之后，人类认识宇宙的全新窗口，必将引发一场天文学的革命。在正式运行之前，几乎没有人会相信第一个探测到的引力波信号会是双黑洞并合，而且是质量如此之大的黑洞双星。通过这一次观测，我们知道了数十倍太阳质量的黑洞是可以存在的，这意味着其前身星必定金属含量比较低，同时星风比较弱。我们还可以限制这类事件的发生率，并且预测下一次科学运行时能有多少个探测结果。这一切，都无法通过传统的电磁波天文学得到。引力波像其它的波一样，携带着能量和信息。电磁波（宇宙背景微波辐射）只能让我们看到大爆炸38万年之后的景象，而引力波能够让我们回望宇宙大爆炸最初瞬间，检验宇宙大爆炸理论的正确与否。事实上，引力波不光具备视觉所不能及的信息，其与人的听觉还有另一种异曲同工之妙：正如堵住一个耳朵，人就无法分辨声音的来源，只靠一个引力波探测器，也无法确定致密双星并合的信号。而现在测量致密双星并合信号的天空来源的方法，正如同人的听觉一样，靠到达两个耳朵的时间差，和到两个耳朵的信号的强弱比决定。因此，以地球为脑袋，引力波探测器为耳朵，LIGO的科学家们架设起了一座倾听宇宙的招风巨耳。引力波探测除了能够检验广义相对论之外，还有助于证明其它版本的引力理论正确与否，还将推动引力量子化的研究，最终把引力融入其它三种基本相互作用，完成爱因斯坦
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