引力波信号存在奇怪噪声:历史性发现或存疑

2017年07月06日 09:24 新浪科技

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LIGO天文台的科学家第三次探测到引力波。图为艺术家所绘引力波概念图。LIGO天文台的科学家第三次探测到引力波。图为艺术家所绘引力波概念图。

  新浪科技讯 北京时间7月6日消息,据国外媒体报道,一个世纪前,爱因斯坦曾预言过“时空中的涟漪”、即引力波的存在。而在科学家声称第三次探测到引力波之后,科学界出现了一些争议。

  科学家去年首次探测到了时空的抖动现象,这被誉为“本世纪最重大的科学突破”。自此之后,研究人员又探测到了两次引力波。但在本年二月发布数据之后,其他研究人员对这些探测结果进行了详细审查,并称他们在信号中发现了意想不到的噪声,“这些相关性很奇怪,不应该出现在这里。”

  该研究团队由哥本哈根尼尔斯·玻尔研究所物理学家安德鲁·杰克逊(Andrew Jackson)领导。他们于本月初发表了研究结果。激光干涉引力波天文台(简称LIGO)的科学家们对两道光束的干涉结果进行了测量,从而探测到了时空受到的扰动。引力波极其微弱,因此LIGO天文台的探测精度极高,即使目标的移动距离只有质子直径的一万分之一,也能被检测出来。

这张概念图描绘了两个黑洞旋转方向不一致时的情况。在LIGO天文台收集的证据中,指向“非对准旋转”的证据更多。  这张概念图描绘了两个黑洞旋转方向不一致时的情况。在LIGO天文台收集的证据中,指向“非对准旋转”的证据更多。

  为保证结果的精确性,LIGO天文台分为两处,相距3000公里。它们同步运作,对彼此的观测结果提供双重检验。

  两台探测器监测到的噪声理应完全不相关,即使一台探测器附近发生了风暴,也不会在另一台探测器中以噪声的形式体现出来。该团队探测到的部分“噪声”源包括:“光子如雨滴般打在光线探测器上发出的‘嘶嘶声’;地震和海水冲击地壳产生的隆隆声;以及强风晃动建筑物时发出的声音。”如果发现了引力波,它应当差不多同时在两台仪器中产生相似的信号。

  而杰克森的团队指出,在探测到引力波信号的同时,两台探测器中似乎产生了相关噪声。“我们关注的主要是人类探测到的首个引力波信号,即GW150914。我们尤其留意了信号到达位于汉福德和利文斯顿两处探测器之间的时间间隔。”该团队表示。“在我们看来,要想确定这一信号的确是天体物理学事件的产物、而不是碰巧相关,LIGO天文台两台探测器的‘剩余’时间记录之间应当不存在相关性才对。而我们的调查显示,两者恰恰呈强相关。我们希望别的研究人员能够重复我们的计算过程,提出自己的见解。在物理学中,‘盲目相信’显然不能取代‘充分理解’。”这一无法解释的相关性可能产生诸多后果,小到修改从信号中提取的引力波,大到否定整个‘声称发现了引力波’的言论。

  LIGO天文台发言人称,探测结果中也许的确存在无法解释的相关性,但应该不会影响已有结论。马克斯·普朗克引力物理学研究所的研究人员、LIGO天文台科学合作会成员伊恩·哈利(Ian Harry)公开驳斥道,该研究团队无法重复计算出他们声称存在的相关性,因此他们的结论可能是由代码错误所致。

图中绿色格线代表太阳和地球造成的时空弯曲。爱因斯坦在广义相对论中提出,质量巨大的天体的引力会使时空发生扭曲。  图中绿色格线代表太阳和地球造成的时空弯曲。爱因斯坦在广义相对论中提出,质量巨大的天体的引力会使时空发生扭曲。

  但两支团队都不肯承认自己错了。据悉,LIGO团队称“我们曾和对方进行过深入交流,并不认同他们的调查方法,更无法赞同其结论。”

  2017年1月4日,LIGO天文台科学合作会(简称LSC)第三次探测到引力波的存在。就像前两次一样,此次引力波是两个黑洞相撞、合并时产生的。合并后形成的黑洞质量约为太阳的49倍,刚好处于第一次的62倍和第二次的21倍中间。

  “我们进一步确认了质量超过太阳20倍的黑洞的存在。在LIGO探测到它们之前,我们从不知道宇宙中存在这样的天体。”麻省理工学院科学家、LIGO科学合作会发言人戴维·舒梅克博士(Dr David Shoemaker)指出,“这些奇怪而极端的事件发生在数十亿年之前、距我们足有数十亿光年之遥,而人类竟能提出合理的解释、并进行验证,这真是非同凡响。LIGO和VIRGO(室女引力波探测器)科学联合会做出了巨大贡献。”

  LIGO天文台探测到的三次引力波均由能量巨大的黑洞合并所产生。黑洞相撞时,产生的能量可超过宇宙中所有恒星和星系辐射出的能量总和。

这张计算机模拟图显示了两个黑洞(图中上方的两个球体)相撞时、周围时空的扭曲情况。彩色部分为以二维呈现的空间。图中漏斗状的扭曲由黑洞的质量所产生。靠近黑洞的颜色代表时间流逝的速度:绿色代表正常;黄色代表偏慢20-30%,红色则代表大幅放慢。  这张计算机模拟图显示了两个黑洞(图中上方的两个球体)相撞时、周围时空的扭曲情况。彩色部分为以二维呈现的空间。图中漏斗状的扭曲由黑洞的质量所产生。靠近黑洞的颜色代表时间流逝的速度:绿色代表正常;黄色代表偏慢20-30%,红色则代表大幅放慢。

  最近探测到的一次引力波似乎离我们最远,黑洞距我们约30亿光年。科学家称引力波为我们打开了一扇“新大门”,让我们更好的观察宇宙、并获取与黑洞和中子星等神秘天体相关的知识。对这些天文现象的了解将有助于我们弄清宇宙的起源。

  “此次发现使我们以全新的方式深入时空,这在发现引力波之前是无法做到的。”美国国家科学基金会主管弗朗斯·科尔多瓦(France Córdova)指出,“这一次,我们将目光投向了30亿光年之外。LIGO天文台将继续做出伟大的发现,从实验逐渐过渡到真正的引力波天文台。更重要的是,每次探测结果不仅仅让我们目睹了奇景。通过收集数据,我们逐步了解了这些天体的起源和特性,从而更好地理解宇宙。我们知道,这仅仅是开始而已。这扇‘宇宙之窗’将不断扩大。成百上千的研究人员从世界各处汇集于此,为LIGO天文台做出自己的贡献,进一步了解黑洞合并、中子星和其它天文现象。对此,我们拭目以待。”

  当一对黑洞围绕彼此旋转时,它们还会按照自身的轴线旋转,就像两名花样滑冰选手。

  有时,当一对黑洞在轨道上移动时,会朝着同一轨道方向旋转,名为“校准旋转”;有时,它们则会朝相反方向旋转。此外,黑洞还会倾斜、偏离原有的轨道平面。

  LIGO天文台的最新数据显示,至少有一个黑洞与整体的轨道运动情况不一致。要确定双黑洞系统的旋转方式,LIGO还需进行进一步观察。但从这些早期数据中,可总结出双黑洞系统可能的形成方式。

  “这是我们首次获得黑洞运动情况不一致的证据,给了我们一点暗示,让我们猜测双黑洞系统在密集的恒星团中是如何形成的。”英国卡迪夫大学的班加罗尔·萨西亚普拉卡什(Bangalore Sathyaprakash)指出。

  有两种理论或能解释双黑洞系统的由来。

  第一个模型提出,两个黑洞是同时诞生的。双星系统的两颗恒星爆炸时,分别生成了黑洞;由于原本的恒星旋转方向一致,产生的黑洞也可能保持一致。

  第二个模型认为,两个黑洞在恒星团中先后诞生。当它们抵达恒星团中央后,便结合形成了双黑洞系统。在这种情况下,黑洞可朝着相对轨道运动的任何方向旋转。

  在LIGO天文台收集的证据中,指向此次新发现的黑洞旋转方向不一致的证据更多,因此第二种理论更占上风。

  “我们真的开始收集双黑洞系统的数据了。”LIGO汉福德天文台的凯塔·卡瓦比(Keita Kawabe)说道,“这很有意思,因为在过去几年间、甚至现在,有一些解释双黑洞系统形成过程的模型比其它模型更受推崇。而今后我们将进一步缩小合理的模型范围。”

图为LIGO汉福德实验室激光与真空设备区(LVEA)的鸟瞰图,包括激光器、光束分离器等仪器。图为LIGO汉福德实验室激光与真空设备区(LVEA)的鸟瞰图,包括激光器、光束分离器等仪器。

  此次研究又一次对爱因斯坦的理论发起了检验。

  例如,研究人员试图寻找一种名为色散的现象。当光波穿过玻璃等物理媒介时,由于波长不同、传递速度也不同,从而被分离开来,形成彩虹。爱因斯坦的广义相对论认为,在引力波从波源出发、传播至地球的过程中,不会发生色散现象。LIGO天文台的确没有找到相关证据。

  “爱因斯坦好像说对了。即使此次最新探测到的波源距离长达第一次探测到的两倍,他的预言依然成立。”佐治亚理工学院的劳拉·卡多纳提(Laura Cadonati)指出,“我们的观测结果与广义相对论的预测一致。而此次黑洞距我们如此遥远,更加强了我们的底气。”

  该团队还将继续分析LIGO收集的数据,寻找更远处出现时空波动的迹象。

  他们还将参与LIGO天文台2018年末开始的技术升级,届时该探测器的敏感度将进一步提高。

  研究人员在一次媒体见面会上表达了用LIGO探测中子星的野心。

  中子星是巨型恒星遭遇超新星爆炸后、内核坍塌的产物,在此过程中,质子和电子相互融合、形成了中子。

  研究人员希望,提高LIGO设备的敏感度将帮助他们确定中子星的位置。他们指出,如果对中子星的形成过程了解不够,就难以做出重大发现。

  “在第三次确认发现由黑洞相撞产生的引力波之后,LIGO天文台向世人证明,它的性能卓越无比,可带领我们了解宇宙的阴暗面。”LIGO实验室执行主管、加州理工大学的戴维·雷茨(David Reitze)指出,“虽然LIGO经过特殊设计、适于观察此类天文事件,但我们希望不日便能观察到其它的天体物理学事件,如两颗中子星相撞等。”(叶子)

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