人类检测到第四次引力波事件:穿越宇宙的时空涟漪

2017年09月29日 08:00 新浪科技

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美国和意大利的超敏探测器成功检测到了近20亿年前两个黑洞相撞时产生的时空涟漪。这是我们第四次观测到引力波。  美国和意大利的超敏探测器成功检测到了近20亿年前两个黑洞相撞时产生的时空涟漪。这是我们第四次观测到引力波。
图为三台探测器采集数据的信噪比、视频图和时间序列数据,以及据此推出的引力波波形。图为三台探测器采集数据的信噪比、视频图和时间序列数据,以及据此推出的引力波波形。
图为位于华盛顿州汉福德的Ligo探测器。Ligo研究由Ligo科学协作会负责开展。该协会包含来自美国和其它14个国家的1000多名科学家。  图为位于华盛顿州汉福德的Ligo探测器。Ligo研究由Ligo科学协作会负责开展。该协会包含来自美国和其它14个国家的1000多名科学家。
近两亿年前两枚黑洞的相撞被超敏探测器成功捕捉下来。近两亿年前两枚黑洞的相撞被超敏探测器成功捕捉下来。

  新浪科技讯 北京时间9月29日消息,据国外媒体报道,天文学家日前表示他们检测到第四次引力波信号,这是穿越宇宙的时空涟漪。这也是设在美国境内的LIGO设施(激光干涉引力波天文台)第四次检测到此类信号。去年初,该设施在人类历史上首次检测到引力波信号,创造了历史。而现在,这样的探测似乎已经成为常态,但最近的这次探测仍有其特别之处,因为这一回,首次有一个LIGO之外的设施同样检测到了这一信号。

  LIGO机构是由美国国家科学基金会出资设立的,分别在美国境内的路易斯安那州和华盛顿州建立两座完全相同的引力波检测设施。但在欧洲的意大利境内,事实上还存在一座由欧洲建设和运行的引力波探测设施——Virgo,基本上这是一座与LIGO非常类似的设施。在8月14日,在LIGO检测到引力波信号的几乎同时,Virgo设施也首次检测到引力波信号。这个信号源自大约10亿光年外两个黑洞的相互合并。不仅这一次,之前所有历次LIGO检测到的引力波信号均来自黑洞之间的合并,但这一次是首次世界上同时有三座引力波天文台同时检测到同一个信号。有关这次发现的论文即将在《物理评论快报》发表。

  同时有三座天文台检测到同一个信号具有重要的科学意义,因为这将帮助我们更好地判定其来源位置。有了三座引力波天文台之后,科学家们可以通过引力波信号先后穿过三座天文台的微小时间差推算其位置。这一点就与我们通常需要三颗GPS卫星来帮助实现定位一样。Virgo团队发言人布兰德(Jo van den Brand)对媒体表示:“此次(定位)的精度要远胜以往。”

  定位引力波信号的来源对于后续的跟进研究至关重要。现在,在有了定位数据之后,各类传统的光学或射电望远镜便知道了该转向哪个方位去跟踪观测发出引力波信号的源头。由于这些信号源自黑洞,并不会有光产生,因此后续观测目前还尚未产生任何有价值的结果。但如果哪天LIGO与Virgo团队突然之间有幸检测到来自恒星合并产生的引力波信号,那么其他使用光学与射电望远镜的科学家们将有机会进行更有价值的后续跟踪观测。一名参与LIGO的物理学家对媒体表示:“由于有了Virgo的加入,我们进入了天文学历史上的一个崭新时期。”

  这位物理学家所言的“崭新时期”对于引力波天文学领域而言是一次巨大的飞跃。这是一个重要的领域,也是对于百年之前爱因斯坦广义相对论进行严格检验的最后一块主要缺失环节,幸运的是到去年2月份为止,这块缺失的环节被弥补上了。在20世纪初,爱因斯坦提出了一项完全颠覆主流物理学理论的崭新思想,第一次将时间与空间进行了统一,称之为“时空”。爱因斯坦提出,物体,包括从行星到人,任何有质量的物体,都会造成其周围时空的扭曲。而当这些有质量物体移动时,它们便会造成时空的扰动,产生时空中的“涟漪”,就像小船驶过平静的湖面产生的道道波纹,这就是所谓的引力波。

  然而,问题在于,要想检测到这种时空涟漪,在技术上极其困难。比如说,一个人的移动所产生的时空涟漪,在地球上根本就不可能检测到。这也是为何科学家们要建设LIGO和Virgo设施,这类设施能够检测宇宙中发生重大事件,比如黑洞或中子星等合并等过程中产生的剧烈的引力波信号。当这些致密天体发生合并时,它们会以极高速度相互绕转,并最终合并为一个质量更大的天体。这一过程将产生极为强烈的引力波信号,向四面八方的宇宙空间中扩散。

  但即便如此剧烈的引力波信号,在地球上也必须依靠最为精细的设备才有可能进行探测。这也正是LIGO和Virgo发挥它们作用的地方。每一台这样的设施都被设计成了L形,拥有两条完全密封的真空隧道,其两端放置了悬浮的高精度反射镜。在两道隧道相交会的地方,一台分体激光器分别向远处的两个镜面发射两束完全相同的激光。由于这其实是同一束激光被分光器分开后的产物,因此它们在被镜面反射回并交会时由于频率波长完全相同,不会产生干涉条纹。

图为Virgo探测器航拍图,从中可以看到模块清洁大楼、中央大楼、长3公里的西侧干涉臂和北侧干涉臂的起始部分。此次黑洞相撞代号为GW170814,合并后产生的新黑洞质量为太阳的53倍。  图为Virgo探测器航拍图,从中可以看到模块清洁大楼、中央大楼、长3公里的西侧干涉臂和北侧干涉臂的起始部分。此次黑洞相撞代号为GW170814,合并后产生的新黑洞质量为太阳的53倍。
图为双中子星系统产生的引力波的概念图。科学家希望通过研究引力波,更好地了解早期宇宙的特性。图为双中子星系统产生的引力波的概念图。科学家希望通过研究引力波,更好地了解早期宇宙的特性。

  但如果有引力波涟漪通过,时空将发生扭曲,在引力波传播方向上,隧道的长度将出现极其微小的收缩或拉伸。这样一来,两个方向上的隧道内激光传播的路径长度出现了轻微差异,交会时就会产生干涉条纹,科学家们便能检测到引力波的存在。

  在8月25日,LIGO完成了其从2016年11月30日开始的最后一轮观测周期。在此期间其至少检测到三次确凿的引力波信号,或许还有更多。而探测精度相比LIGO设施稍弱一些的Virgo设施则在今年的8月1日开始运行,幸运的是该设施及时的赶上了8月14日发生的这次引力波事件。

  测量数据显示产生这次引力波信号的两个黑洞质量分别为31倍以及25倍太阳质量,位于距离地球18亿光年之外的宇宙深处。最终,这两个黑洞合并为一个质量为53倍太阳质量的黑洞。

  这样的黑洞质量是比较大的,远超过LIGO项目组的科学家们在最开始开展观测的时候的预期。但在全部4次观测事件中,有三次都是黑洞质量超出科学家们原先预计的。项目组科学家表示:“看起来这样的合并情况相当普遍,我想不久之后我们便能开始估算这种事件发生概率的大小。”

  此次观测的特别之处就在于有三台观测设施观测到了信号,这样对于信号来源的判定精度相比仅仅两台LIGO设备要高出20倍。并且,不仅仅是定位的精度提升了,借助三台设备的观测,科学家们还能更加精确地判断引力波传播的角度方位。这些数据将帮助科学家们大大加深我们对于产生这一引力波信号的天体的认识,比如它们在相互绕转的时候,其转动平面与地球观测视线之间的角度关系是怎样的。

  现在,人类已经第四次检测到黑洞合并所产生的引力波事件,天文学界目前渴望了解LIGO设施能否检测到中子星合并,或者中子星与黑洞合并过程中产生的引力波信号。但直到目前为止,LIGO的科学家们仍然保持了沉默。项目组表示他们仍然忙于对收集到的数据进行分析研判:“我们会在适当的时候发表声明。”

  与此同时,目前全球的这三座引力波天文台都已经暂时停止运作。在这一空窗期,LIGO和Virgo的团队科学家们都将持续加紧工作,从而进一步提升设施的观测精度。这三台设备预计将在2018年秋季重新开机,科学家们希望到时候能够获得更好更精确的观测结果,或许每年可以检测到十几个这样的事件也并非不可想象。(晨风)

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