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: 爱因斯坦的猜想是如何被证实的

2017-11-01 10:45 来源:北京晚报 
2017-11-01 10:45:35来源:北京晚报作者:责任编辑:赵宇

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  作者:蔡文清

  “引力波”,听名字给人一种曼妙舞动的韵律之美,爱因斯坦在广义相对论中曾描述:“引力波以光速迅速扩散,充满整个宇宙。”引力是由于质量所引发的时空扭曲所造成,任何有质量的物体加速运动都会对周围的时空产生影响,时空在伸展和压缩的过程中,会产生振动,这些振动就是引力波。这些波动,可以想象为将一块石子投入水中所掀起的涟漪,因此人们也为引力波赋以一个好听的名字“时空涟漪”。

  引力波一直是爱因斯坦提出来的虚无之物,没有人见过,没有人能证明,没有人能检测到。就连爱因斯坦本人也想象不到,能通过怎样的方法探测到引力波,以至于他本人直到逝世前都还在怀疑黑洞的存在。

  金秋十月,“引力波”变得如巨星般耀眼,先是10月3日,来自LIGO(激光干涉引力波天文台)团队的科学家们由于其在引力波研究方面的贡献而被授予诺贝尔物理学奖。接着北京时间10月16日晚上10点,一个世界天文学界里程碑式的时间来到,美国国家科学基金会、欧洲南方天文台、中国中科院紫金山天文台等机构同步召开新闻发布会,宣布第一次同时“听到”和“看到”来自双中子星并合的一次引力波事件。

  这是人类第五次探测到引力波。然而科学界的兴奋之情甚至不亚于第一次探测到引力波时。因为与之前被探测到的四个引力波信号不同,这次探测到的引力波信号GW170817来自1.3亿光年外两颗并合的中子星,而且科学家第一次同时观测到了引力波及其电磁对应体。

  “这次科学家们宣布首次直接探测到了壮丽的双中子星并合产生的时空涟漪——引力波及其伴随的电磁信号。这标志着人类历史上第一次使用引力波天文台和其他望远镜同时观测到了同一个天体物理事件,这次发现同时也打开了等待已久的多信使天文学的新窗口,引力波天文学为理解中子星的性质提供了电磁天文学单独所不能实现的新机会。这次发现是由位于美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)和位于欧洲的室女座干涉仪(Virgo)引力波探测器以及其他70个地面及空间望远镜共同完成的。”清华大学LIGO科学合作组织负责人曹军威说。清华大学LIGO科学合作工作组是此次中国唯一参与观测引力波的团队。自2009年成为LIGO科学合作组织正式成员以来,清华大学的这个团队参与了迄今为止的所有引力波的发现。

  “这是人类迄今观测到强度最强的引力波信号。”与之前探测到的双黑洞并合引力波信号只有1秒不同,此次中子星并合产生的引力波持续了大约100秒, LIGO科学合作组织成员的科学家向记者展示了双中子星并合的动画过程,两个天体相互旋进,最终并合并产生大量抛射物,外形就像旋转的风车。最大的惊喜来自100秒的后半程,“一定要准备好你的耳朵,听,开始了……”果然一声“啁啾”声传来,这就是双中子星即将发生并合前由于相互绕转频率不断提高而发出的声音,引力波长啥样,听这个声音就知道了。

  中子星是恒星演化末期形成的一类致密天体。虽然它的半径只有十几公里,质量却与太阳相当。中子星到底有多硬?其内部物质以何种状态存在?这些一直是科学家感兴趣的问题。根据此次观测到的引力波信号,科学家估算出两颗中子星的质量、半径,并对其密度给出了保守的限制。

  在清华大学引力波成果展示现场,大屏幕上出现了一张北京地图,此次并合的中子星大约有多大,科学家说,直径约为20到25公里,如果放在北京地图上,大致可以覆盖北京的三环区域,“也就是说,清华大学所在四环外还不在中子星覆盖范围内。”中子星到底有多重,科学家预测,这两个相互旋进的天体的质量估计为1.5到1.6倍太阳质量,也就是说把1.5到1.6倍的太阳质量压缩到一个非常小的区域中,其密度大得惊人。距离我们有多远,约1.3亿光年,也就是说这是1.3亿光年前的一次碰撞,今天才被我们人类所观测到。

  说起此次双中子星并合的探测过程,简直比国际刑警跨洲追捕逃犯还要精彩。

  2017年8月17日,分布在全球各地的天文学家们获得了一个消息,LIGO和Virgo探测器探测到了一个持续时间为100秒左右的新引力波信号,其形式与两个中子星的并合相一致。

  在得知这一消息之后,全世界各地的望远镜就开始了忙碌的观测。南美、夏威夷、澳洲、南非、西班牙……全球所有顶级天文台都像疯了一样,从东向西,随着黑夜降临在一个个大陆,各个天文台一波波地开工,接力完成了对这个事件的跟进观测。据不完全统计,全球一共有70架以上的各种天文望远镜参加了观测,这些观测覆盖了整个电磁波段:光学、红外、紫外、高能、射电。

  在此之前,射电天文学的加入,让光学和射电成为天文学的两驾马车;空间望远镜的加入,让电磁波的全波段天文时代降临;宇宙线和中微子的加入,又让人看到了“多信使天文学”时代的曙光。

  如今,人们用引力波和电磁波一起看到了一场宏大宇宙烟火的前后全貌,首次直接探测到了由双中子星并合产生的时空涟漪——引力波及其伴随的电磁信号,标志着人类历史上第一次使用引力波天文台和其他望远镜同时观测到了同一个天体物理事件。

  “以前面对宇宙,人类非聋即瞎。”中科院高能物理研究所研究员张双南说,400多年前伽利略发明了天文望远镜,从此远在天边的宇宙天体就变成了近在眼前。2016年2月11日LIGO宣布听到了两个黑洞结合在一起发出的声音,人类终于能够听到宇宙的声音了。而这一次,人类不但听到了天体结合发出的美妙歌声,而且也看到了它们相爱迸发的烟花,耳听为虚,眼见为实,可以说,从此,人类终于“耳聪目明”了。

  正如中科院国家天文台苟利军博士所言,这次观测成果在为人类解答了一些疑惑的同时也提出了更多问题,与历史上所有天文发现一样,这是人类好奇心的胜利与新起点。

[责任编辑:赵宇]
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