诺贝尔物理学奖官方解读:引力波开启观察宇宙新时代

[ 录入者:zhangms | 时间:2017-10-04 09:22:07 | 作者:晨风 任天 | 来源:新浪科技 | 浏览:483次 ]

新浪科技讯  北京时间10月3日傍晚消息,刚刚,瑞典皇家科学院宣布将2017年诺贝尔物理学奖授予三位引力波探测计划的重要科学家,三人均来自LIGO/VIRGO合作组,以奖励他们在“LIGO探测器以及引力波探测方面的决定性贡献”。奖金的一半授予莱纳·魏斯(Rainer Weiss),另外一半由巴里·巴里什(Barry C。 Barish)和基普·索恩(Kip S。 Thorne)两人分享。

首次被探测到的引力波

时空涟漪

2015年9月14日,LIGO探测器目睹了一次时空中的涟漪:人类首次检测到了引力波信号。尽管这一信号在抵达地球时极其微弱,但它已经掀起了一场物理学的全新革命,是我们观察宇宙事件并检测我们知识极限的崭新手段。

人类首次探测到的引力波信号源自数亿年之前两个黑洞发生的碰撞。爱因斯坦再一次被证明是正确的。自爱因斯坦预言引力波存在之后,时间又过了100年,但当初爱因斯坦尽管提出了引力波存在的理论,但他本人并不相信引力波有朝一日能够被探测到。

LIGO的全称是“激光干涉引力波天文台”,这是一个由来自20多个国家的上千名科学家们共同参与的大型合作项目。这些科学家们通力合作,实现了一项延续超过半个世纪的梦想——引力波的直接探测。2017年度诺贝尔物理学奖的获奖人们以他们的热情和决心,成为了实现LIGO的成功背后不可或缺的关键人物。莱纳·魏斯,巴里·巴里什和基普·索恩领导了整个项目的推进,直到最终完成,确保了40多年的努力最终结出硕果,获得了首次引力波探测的成功。

在国际合作组完成最终的数据分析工作之前大约5个月,传言便开始四处流传,但研究组一直对此保持沉默,他们在完全确信之前不敢轻易发布消息,直到2016年的2月11日一鸣惊人。

除了是首次观测到引力波之外,LIGO项目的科学家们在那次发现中还创造了多项第一。比如说,这有信号首次证实宇宙中存在质量介于30~60倍太阳质量的黑洞并且它们之间可以发生合并。在合并的一瞬间,产生的引力波信号要强过宇宙中所有恒星的星光的总和。

 捕捉引力波信号的示意图。天文学家首次捕捉到的引力波信号来自13亿光年外两个黑洞的剧烈碰撞。当这些引力波在13亿年后经过地球时,强度已经减弱不少,它们对时空的扰动被LIGO记录下来,而这一扰动比原子核还小数千倍。

时空的震动

一片漆黑之中,两个黑洞的碰撞产生的震动信号打破了宇宙的平静。就像一颗小石头丢进平静的湖面,引力波像一道道涟漪,在时空中扩散开来。但它仍然需要时间才能抵达地球。尽管引力波信号以光速传播,它仍然需要数亿年的时间才抵达我们这里。

2015年的9月14日,在美国两台LIGO探测器的记录仪上,数据曲线出现了一条微小的波动,这是13亿光年外两个黑洞的碰撞发出的信号。

LIGO并不是平常意义上的望远镜,它并非用于光学探测,甚至不是用于接收电磁波,它的用途是用来聆听宇宙深处的引力波信号,即便引力波的本质是时空本身产生的涟漪。

数十年来,物理学家们一直在尝试探测爱因斯坦在百年之前预言的引力波。爱因斯坦指出,时空具有“弹性”,当有质量的物体加速时产生的引力波将会造成四维时空的波动,比如遥远星系内恒星的爆炸,或者两个黑洞在合并之前的高速旋转等等。和引力波一样,黑洞本身也是由爱因斯坦在1915年提出的广义相对论所描述的。在后来超过50年的时间里,大部分主流科学家一直认为黑洞只是爱因斯坦方程组的一个解,而非实际存在于宇宙中的真实天体。

相对论将引力视作是时空的扭曲。当引力极端强大时,时空的扭曲可以达到极限,形成一个黑洞。黑洞是时空中最为奇异的天体——没有任何东西能够逃离黑洞,光线都不行。也正因为如此,黑洞一直是物理学中的一种神秘存在。引力波带给科学家们一种希望,他们或许可以尝试去检测一种此前从未想过的全新的信号,但关于时空的谜团究竟是否能够真正被揭开仍然难以预料。在很长一段时间里,爱因斯坦本人一直确信引力波信号是不可能被检测到的,因为他自己都不能肯定这究竟是真实存在的现象还是只是一种数学计算上的假象。

他当时的同事,英国大科学家亚瑟·爱丁顿更是完全不相信引力波这种说法,他说,引力波不是以光速传播,而是以“思想的速度在传播”,以此表达自己对此现象真实性的质疑。

一直到上世纪1950年代末,引力波的想法才开始逐渐被更多人接受,当时的计算结果证明引力波应该可以携带有能量,因此至少从理论上说或许是可以被检测到的。第一个非直接证据出现在1970年代,当时美国天文学家约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)和拉塞尔·赫斯(Russell Hulse)使用一台大型射电望远镜对一对脉冲双星进行了观测。他们的观测显示这两颗致密星体之间相互绕转的速度不断加快,并在此过程中损失能量并相互靠近。计算显示其失去的能量值符合引力波理论的预测数值。由于这项成就,约瑟夫·泰勒与拉塞尔·赫死被授予了1993年的诺贝尔物理学奖。然而,他们两人的工作毕竟仍然是间接的。我们仍然希望能够直接检测到引力波的信号。

但要在时空中产生涟漪异常困难,因此只有宇宙中最为剧烈的事件才有可能产生出能够被检测到的引力波信号。但即便如此,这种信号仍然极为微弱———检测它们就像测量一颗10光年外恒星的距离,并且要求你精确到一根头发丝直径。因此,尽管我们知道整个宇宙中到处都是引力波引发的涟漪,但银河系内部发生的,且能够被检测到的那种强烈信号却是相对较少的,我们必须指望宇宙中那些更加遥远的地方。

用引力波回溯过去

现在,我们检测到了引力波的信号。产生这一信号的两个黑洞自宇宙早期诞生之初便一直在相互绕转,并最终合二为一。它们之间每绕转一圈,便在时空之中形成一道涟漪,这些涟漪以引力波的形式,在宇宙时空之中不断扩散远去。这些涟漪携带有能量,于是两个黑洞便通过这种方式损失了能量,这让它们两者之间的距离越靠越近,速度也变得越来越快,于是损失能量的速度也就越来越快,这样的过程持续了数百万年。最终,在一瞬间,两个黑洞的事件视界相互接触,两个黑洞最终合并。在合并的一瞬间,所有震动全部消失,只剩下一个完好的,但是质量更大的自转的黑洞,完全看不到任何狂暴历史发生过的痕迹。

但这是假象。有关曾经存在过的两个黑洞合并的历史并没有完全消失——这段历史被隐藏在那时空的涟漪之中。引力波不断拉伸或压缩着它通过的时空,不同的“音调”诉说着不同的故事。如果我们能够倾听所有的引力波信号,而不仅仅是其中那些最强烈的信号,那么整个宇宙将像一座充满音乐的殿堂,就像森林中各种鸟儿的合唱,各种声音此起彼伏。在数十亿年之后,随着两个黑洞宿命般的最终合并,音乐将迎来高潮,然后,一片死一样的寂静,仿佛一切都不曾发生。为何如此安静?

因为产生这些信号的源头太过遥远了。引力波和光波一样,随着传播距离增加,其强度会衰减。因此当引力波信号传递到我们这里时,它的强度已经大大减弱了——LIGO项目捕捉到的引力波信号引发的时空变化,其程度不超过一个原子核直径的千分之一。

LIGO由两个完全相同的巨大干涉仪组成。

LIGO——巨型干涉仪

对许多参与引力波研究的科学家来说,这个梦已经萦绕了超过五十年,而实现梦想的路不仅漫长、曲折,有时候还非常艰难。用于探测引力波的第一台探测器就像一把音叉,只对某一特定频率的波敏感。但是,马里兰大学的约瑟夫?韦伯(Joseph Weber)只能猜测黑洞在碰撞融合时会以什么样的频率“引吭高歌”。他在20世纪60年代建立了第一台探测器,当时许多人都对引力波,甚至黑洞的存在表示怀疑。因此,当韦伯在20世纪70年代宣布已经探测到引力波时,引发了科学界的轰动。然而,没有人能够重复韦伯的结果,他的观测被认为是误报。

在20世纪70年代中期,尽管怀疑的声音不断,但基普?索恩和莱纳?魏斯坚定地认为,引力波能够被探测到,并且将为我们对宇宙的认识带来革命性的影响。莱纳?魏斯已经对可能干扰测量的背景噪音来源进行了分析。他还涉及了一台探测器——基于激光的干涉仪,可以很好地解决噪音问题。

就在莱纳?魏斯在麻省理工学院研发探测器的同时,基普?索恩也开始与朗纳?德瑞福(Ronald Drever)合作,后者在苏格兰格拉斯哥大学建立了引力波干涉探测器的雏形。德瑞福后来搬到洛杉矶的加州理工学院,加入索恩的研究团队。魏斯、索恩和德瑞福三人成为了引力波探测领域的先驱,领导了该领域多年以来的发展。德瑞福最终离开了LIGO项目的主要路线,但还是得以见证引力波的首次发现。2017年3月7日,德瑞福在苏格兰爱丁堡的家中辞世,享年85岁。

与韦伯的“音叉”设计不同,莱斯、索恩和德瑞福开发了另一种装置:一台激光干涉仪。该装置的原理早已为人所知:由两支长臂组成“L”形的干涉仪,在“L”形的角和两端,将巨大的镜子悬挂在一个精密的设备之内。经过的引力波对干涉臂的影响不同——其中一支臂被压缩,另一支臂则伸长。

通过在镜子之间反射的激光束,天文学家可以测量出两支干涉臂的长度变化。如果没有情况发生,反射的激光会在“L”形转角处互相抵消。如果其中一支干涉臂的长度改变,那激光移动的距离就不同,从而失去同步性,并使激光在相遇时的强度发生改变。

基本的想法很简单,但是关键在于细节——如何真正实现探测?利用大型设施去检测不到原子核直径还小的微观变化绝非易事,科学家们花费了超过40年的时间才做到这一点。科学家们给出的方案是这样的:建造两台大型干涉仪,每一台都有长达4公里的直线管道,光线能够在其中多次反射,从而通过延长光线传播路径的方式放大时空中可能存在的任何拉伸或收缩。

LIGO的其中一台设施建在美国西北部的大草原上,就在华盛顿州汉福德附近,另外在大约3000公里之外的路易斯安那州列文斯顿附近也建立了一台一模一样的设施。设计并制造能够进行如此精确测量的各类设备仪器花费了很多年时间。这需要复杂的分析和先进的理论,幸好在这方面加州理工学院的基普·索恩是专家。但是,要想研制这些尖端设备,你需要惊人的工程学天才和工艺手段,而在这方面莱纳·魏斯作出了开创性的贡献。另外,激光的波长和强度都必须尽可能稳定,并且光波必须能够精确击中管道内悬吊的反射镜。这也就是说,悬吊的反射镜完全不可以有任何晃动或震动,即便附近有树叶飘落,孩子们在附近奔跑,甚至远处有卡车驶过。但与此同时,这些悬吊的镜面又必须确保在有引力波信号通过时,即便是最微弱的信号也能够确保使其晃动。你还必须补偿反射镜表面的原子热运动以及激光量子效应所产生的误差。

这就意味着必须研发新的激光技术,开发全新的材料,建造巨大的真空管道,研发先进的避震技术和大量其他方面的全新设计和技术。很快人们就发现,要想运行这样一个设施,一个小规模的团队会显得力不从心。于是到了1994年,当巴里·巴里什接过LIGO负责人职务之后,他将原本仅有40人左右的小团队迅速扩充,形成一个包括上千名来自全球各地科学家的国际合作团队。他到处寻找符合条件的优秀专家,并为项目组带来各个国家的无数优秀的研究团队。正是通过这种大科学项目中的通力合作,首次引力波探测的壮举才能变为现实。

 捕捉引力波信号的示意图。天文学家首次捕捉到的引力波信号来自13亿光年外两个黑洞的剧烈碰撞。当这些引力波在13亿年后经过地球时,强度已经减弱不少,它们对时空的扰动被LIGO记录下来,而这一扰动比原子核还小数千倍。

立即传回的信号

2015年9月,在为期数年的升级完成之后,LIGO准备再次启动。现在,研究团队有了更强大的激光、重达40千克的镜子、极为先进的噪音过滤装置,以及世界上最大的真空系统之一。在实验正式开始的几天之前,他们就捕捉到了引力波信号。这个波先是经过利文斯顿的探测器,以光速传播了7毫秒之后,出现在3000公里以外的汉福德区。

2015年9月14日清晨,从计算系统获得的信息发送了出去。此时的美国还沉浸在梦乡之中,但是在德国的汉诺威,时间是上午11:51;在马克斯普朗克引力物理研究所,年轻的物理学家Marco Drago正准备享用午餐。忽然间,他瞥到了一道曲线,而这正是他练习辨认了无数次的曲线形状。他真的要成为世界上第一个看到引力波的人了吗?或者这只是一个误报,是只有少数人知道的一场随机盲测而已?

这个波的形状与预测的完全一致,而且这不是一场测试。一切都完美地吻合。如今,引力波研究的先驱者们都已经八十多岁,他们的LIGO同事们终于将他们魂牵梦绕的引力波呈现在眼前。这个消息似乎太好了,以至于有点不真实。在第二年2月消息公布之前,LIGO团队的成员们都还不被允许把消息透露给任何人,甚至他们的家人。

这次被称为“GW 150914”的探测事件没有辜负研究人员的期待。从引力波信号中,他们发现两个目标黑洞分别比太阳重29和36倍,但直径都不超过200公里。它们融合形成的黑洞大约为62倍太阳质量,因此在十分之几秒的时间里,它们以引力波的形式释放出了相当于3倍太阳质量的辐射。GW 150914事件也成为这段极短瞬间内宇宙中发生的最强烈的辐射事件。该信号还表明,此次剧烈的事件发生在南方天空,距离地球约13亿光年。这意味着黑洞碰撞发生在13亿年前,当时地球上的生命正从单细胞向多细胞发展。

在首次发现之后,LIGO还观测到了两次相似的事件。位于欧洲的“处女座干涉仪”(VIRGO,位于意大利比萨附近)在2017年8月加入了LIGO,并在9月27日宣布了他们的第一项联合发现成果。所有三台探测器都在2017年8月14日探测到了相同的宇宙引力波——来自18亿光年外两个中型黑洞的碰撞。

这些探测器至今已经观测到了4次“宇宙涟漪”,而天文学家期待着更多的发现。印度和日本也在建设新的引力波观测台。有了相距遥远的多个探测器,研究人员将能够精确地找出信号源头。有了引力波的观测结果,天文学家还可以利用光学望远镜、X射线望远镜和其他类型的望远镜做进一步的研究。

截至目前,所有电磁辐射和粒子,如宇宙射线和中微子等,都已经被用来探索宇宙。然而,引力波是时空本身存在扰动的直接证据。这是一种全新的、不同的东西,为人类开启了完全陌生的世界。对于能成功捕捉引力波并翻译其中信息的研究者来说,这意味着无数新颖的发现等待着他们。(晨风,任天)

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