科学家究竟如何发现引力波的

来源:网易科技报道 2016-02-12 08:55:00

两个黑洞旋绕产生引力波的模拟图形

LIGO观测站

网易科技讯2月12日消息,据美国全国公共广播电台网站报道,科研人员称,他们观测到了两个巨大黑洞合并产生的“震颤”,即时空本身的波痕,学名为引力波。

爱因斯坦在一个世纪前率先预测了此种波痕的存在。美国康奈尔大学的天体物理学家索尔·图科斯基(SaulTeukolsky)则将这一发现称为,“真正的大事;我职业生涯中最激动人心的一刻。”

爱因斯坦1916年在广义相对论中预测了引力波的存在。对于地球、太阳这种大质量物体间的引力作用,广义相对论将其重新勾勒为一种时间与空间的“翘曲”。广义相对论认为,如果黑洞这种超大质量的物体相互作用,就会产生引力波,而且这种波会传遍整个宇宙。

上述假想此前完全存在于理论当中,实际上发现这种引力波在过去一直是项“不可能完成的任务”。如果出现可以被侦测到的引力波,那么巨大的天体一定要非常快速地移动。科学家曾预测,两个黑洞的碰撞应该能满足这种条件。但没人知道这种现象多长时间会发生一次。

不管怎么说,科学家打造了两个大型探测器来一探究竟。这组设施分别位于美国的华盛顿州与路易斯安那州,统称为“激光干涉引力波观测站”(LIGO)。两个观测站相隔数千英里,目的是在太空引力波穿过地球时侦测到它们。

每座设施由两条长2.5英里的隧道组成,整个外形看上去像是字母“L”。如果引力波经过,它就会沿着一条隧道的方向拉伸空间,而在另一条隧道的方向上压缩空间。这种拉伸与压缩会让隧道发生细微的变形,激光则用来侦测这种极其微小的长度变化。

虽然LIGO在1999年就已完工,但十多年后才有所发现。观测仪必须要非常敏感,才能捕捉到细小的引力波。也正是因为如此敏感,从地核的微小移动到车辆泊入停车场,各种情况都会影响观测。即便研究人员消除了地上的影响因素,LIGO还是不足以侦测到引力波。

2014年,LIGO迎来了重大改进。更佳的除震方式与升级的激光和镜片极大地提升了设备的性能。

等到2015年秋,研究团队再次开始观测时便发现了前述黑洞碰撞现象。当地时间9月14日5点51分,引力波穿过了两座观测站。

学术期刊《物理评论快报》刊载的论文指出,这两个黑洞的单体质量大约是太阳的30倍。它们距离地球的距离差不多有13亿光年。在两个黑洞合并成型的最后一刻,引力波产生了。虽然信号很短暂,但非常明显。

这种测量结果成为了引力波存在的最好证据。按照图科斯基的说法,探测器中的信号与爱因斯坦最初的理论十分相符。测量结果符合两个黑洞相撞产生引力波的预测。这两个黑洞在合并的最后一刻,以极高的速度缠绕在一起。

这应该也是有史以来对黑洞的最直接观测。黑洞之所以被称之为“黑”洞,正是因为它们无法用普通的天文望远镜观测。到目前为止,这种天体的存在只能靠它们身边围绕着的恒星与气旋间接发现。而这种引力信号直接来自黑洞,是它们真实存在的铁证。

其他科研人员认为,引力波能告诉我们更多关于宇宙的信息。安大略圆周理论物理研究所的理论物理学家米娜·阿尔巴尼塔奇(MinaArvanitaki)说:“这就像是用全新的眼睛去看宇宙——信息的数量会非常可观。”阿尔巴尼塔奇会利用LIGO的数据来寻找那些未被发现的基本粒子,这些粒子可能只存在于黑洞周边的翘曲空间中。

在图科斯基看来,此次发现证明了自然世界的广博浩瀚。“宇宙比我们构思的任何小说都要奇特,”他说。(维尼)

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本文来源:网易科技报道责任编辑:王凤枝_NT2541

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