深度解读人类直接探测引力波

腾讯太空
2016-02-12 14:57:25
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文/ 明镜、范锡龙

2016年2月11号,LSC(LIGO科学合作组织)在华盛顿召开了新闻发布会,向全世界宣布:人类有史以来第一次直接探测引波(Gravitational waves),并且首次观测到双黑洞碰撞与并合。

这个被LSC命名为GW150914的引力波事件,发生于距离地球13亿光年之外的遥远星系中。它于2015年9月14日被LIGO(激光干涉仪引力波天文台)的两个堪称是人类有史以来制造的最灵敏的科学仪器的引力波探测器观测到。通过分析LIGO得到的数据,LSC的科学家们计算出两个分别为29和36太阳质量的黑洞,并合为62太阳质量黑洞,双黑洞并合最后时刻所辐射的引力波的峰值功率比整个可观测宇宙的光度还高10倍以上。这个令人振奋的发现意味着的天文学新时代的到来,人类从此开启了一扇观测宇宙的全新窗口。

引力波产生于剧烈天体物理过程,蕴含着关于其源头和关于引力的独一无二的信息。双黑洞并合这一现象长久以来就被理论预言,然而却从未被观测到。这是一个令整个科学界都振奋的消息。这个信号的致信度达到5.1倍标准差 ,符合整个科学界关于发现的认定。这项成果将在近日发表《物理学评论快报(Phys. Rev. Lett.)》上。

那么什么是引力波呢?为什么整个物理学界和天文学界沸腾了呢?

LIGO汉福德(H1,左图)和利文斯顿(L1,右图)探测器所观测到的GW150914引力波事件。图中显示两个LIGO探测器中都观测到的由该事件产生的引力波强度如何随时间和频率变化。两个图均显示了GW150914的频率在0.2秒的时间里面“横扫”35Hz到250Hz。GW150914先到达L1,随后到达H1,前后相差7毫秒——该时间差与光或者引力波在两个探测器之间传播的时间一致。

认识引力波

爱因斯坦在1915年年底发表的广义相对论的场方程,几个月后他发现场方程里面有一个解,这个解具有波动性质:横波,以光速传播,有两个张量极化。由于引力波的振幅太小,爱因斯坦本人不相信人类能探测到它。可是对爱因斯坦的这个解是否就是真实的物理存在?经过很长时间的探讨,直到1957年Chapel Hill会议之后,科学界才对引力波是真实的物理存在达成共识:因为它能携带能量。引力波携带能量这个事实是经过天文观测确定的。1975年泰勒和赫尔斯发现脉冲双星 PSR1913+16,这两个质量与太阳相当的相互环绕的中子星中,有一颗的射电信号恰好指向地球。

利用它的精确的周期性射电脉冲信号,可以精准地知道两颗致密星体在绕其质心公转时他们轨道的半长轴以及周期。在对其进行了长达七年的观测之后,在1982年,韦斯伯格和泰勒发现双中子星长其轨道演化和广义相对论预言惊人的一致。

图1:PSR1913+16 转动周期累积移动观测值与广义相对论预言值的比较。 由于致密双星系统在环绕时会有引力辐射,引力波带走了部分系统能量,所以两个中子星越来越近。图中曲线为广义相对论的预测值,黑点为观测值。两者误差小于0.2%,此发现给引力波科学注入了一针强心剂,被认为是引力波存在的间接证据。泰勒和赫尔斯因此荣获1993年诺贝尔物理学奖。

有不少人可能会问,这种携带能量的引力波的物理本质是什么,它又是如何对物体产生影响的呢?

如果只用一句话来概括广义相对论,那会是:时空告诉物质如何运动; 物质告诉时空如何弯曲。当物质的分布改变时,时空也会相应变化,这一变化以光速向外传播。如果说平直时空是一面平静的湖水,你丢下一粒小石子,湖面就会有水波向外荡漾开去,那么,这种涟漪就是引力波。简单而又唯美地说:引力波正是时空的涟漪。物体质量越大,运动越剧烈,其释放的引力波也越强。

当这阵时空的涟漪竖直穿过由一组静止粒子组成的圆所在平面时,圆形的形状会发生变化。

图2:引力波图静止粒子组成的圈,在引力波的作用下发生畸变。圆内空间将随引力波的频率会在一个方向上被拉伸,在与其垂直的方向相应地被压缩。

为了便于解释引力波的物理效应,图中所显示的引力波强度h大约是0.5,其数学含义是圆的最长半径不超过原来半径的0.5倍。而实际上,哪怕宇宙中最强的诸如双黑洞并合这样剧烈的物理过程,其释放的引力波到达地球时,强度也不会超过10-21。而这个强度的引力波在1000公里尺度上产生的空间畸变才10-15米,这正好是质子的大小。所以,探测引力波的难度首先体现在实验物理方面。

探测器

直接探测引力波开始于上世纪60年代韦伯的棒状探测器(Joseph Weber)。这个探测器是一根长2米、直径0.5米、重约1吨的圆柱形铝棒。当引力波从铝棒侧面到来时,会交错挤压和拉伸铝棒两端,当引力波频率和铝棒设计频率一致时,铝棒会发生共振。贴在铝棒表面的晶片会产生相应的电压信号。共振棒探测器有两个有很明显的局限性,第一是棒的共振频率是确定的,对于同一个探测器,只能探测其对应频率的引力波信号。第二,引力波会产生空间畸变和其作用物体长度有关,探测器做的越长,该长度上的作用产生的变化量越大。韦伯的共振棒只有2米,强度为10-21的引力波在这个长度上的应变量实在太小,几乎不可能探测到。虽然共振棒探测器没能最后找到引力波,但是韦伯开创了引力波实验科学的先河,此后越来越多地优秀的实验物理学家投入引力波探测器的实验和建造中,韦伯再也不是在引力波实验物理学中唯一奋战的人了。

后来的LIGO的主要创始人创始人索恩(Kip Thorne)在1976年对对共振棒探测器还保有信心,他成功说服了加州理工的物理学和天文学系组件一个团队来建造引力波探测器。但是学校领导要求索恩必须把这个项目做大做强并且找到一位非常优秀的实验物理学家来担任这个项目的领导。经多方推荐,最后格拉斯哥大学的德雷维尔(Ronald Drever)成了索恩的“合作伙伴”。

德雷维尔同行们认为是极富想象力和创造力的实验物理学家,他在格拉斯哥也和共振棒打了五年交道。到了加州理工之后,他深知共振棒的局限性,努力说服了索恩放弃原计划而转向一种更有希望基于迈克尔逊干涉仪原理的引力波探测器。

其实早在在韦伯设计建造共振棒的同时期,有部分物理学家认识到激光干涉仪引力波探测方案的优越性。到了70年代,加州理工学院的的韦斯(Rainer Weiss)以及马里布休斯实验室的佛瓦德(Robert Forward),分别建造了引力波激光干涉仪。1986年在美国国家科学基金委(NSF)的建议下,这些才华横溢的物理学家们和他们的同事们被一起分成了两个组。一个是以索恩、佛瓦德、德雷维尔为领导的加州理工小组,一个是以韦斯为领导的麻省理工小组。两个小组分别负责建造并启用全国性的科学装置——LIGO。LIGO有两个探测器,分别是位于美国路易斯安那州利文斯顿臂长为4千米的LIGO(L1)和位于美国华盛顿州汉福德臂长为的 4 千米 的 LIGO(H1)。

图3可以描述引力波激光干涉仪的基本思想。可以简单理解为有四个测试质量被悬挂在天花板上,一束单色、频率稳定的激光从激光器发出,在分光镜上被分为强度相等的两束,一束经分光镜反射进入干涉仪的X臂,另一束透过分光镜进入与其垂直的另一Y臂。经过末端测试质量反射,两束光返回,并在分光镜上重新相遇,产生干涉。我们可以通过调整X、Y臂的长度,控制两束光是相消的,此时光子探测器上没有光信号。当有引力波从垂直于天花板的方向进入之后,会对两臂中的一臂拉伸,另一臂压缩,从而两束光的光程差发生了变化,原先相干相消的条件被破坏,探测器段的光强就会有变化,以此得到引力波信号。激光干涉仪对于共振棒的优势显而易见:首先,激光干涉仪可以探测一定频率范围的引力波信号;其次,激光干涉仪的臂长可以做的很长,比如地面引力波干涉仪的臂长一般在千米的量级,远远超过共振棒。

到了20世纪 90 年代,在世界各地的其它一些大型激光干涉仪引力波探测器开始筹建,引力波探测黄金时代就此拉开了序幕。比如:位于意大利比萨附近,臂长为 3千米的VIRGO;德国汉诺威臂长为600米的GEO,日本东京国家天文台臂长为300米的TAMA300。这些探测器在2002年至2011年期间共同进行观测,但并未探测到引力波。在经历重大改造升级之后,两个高新LIGO探测器于2015年开始作为灵敏度大幅提升的高新探测器网络中的先行者进行观测,而高新VIRGO也将于2016年年底开始运行。此外,欧洲的空间引力波项目eLISA和日本的地下干涉仪KAGRA 的研发与建设也在紧锣密鼓地进行。

值得一提的是,本次引力波探测,应该主要归功于实验科学的进步,在过去的半个世纪中,引力波探测器从“棒”发展到干涉仪,而干涉仪内部的各种噪声由于实验技术的进步被一步步地推向最低。在昨天的LSC新闻发布会上。LIGO的执行官莱兹(David H. Reitze)说道:引力波科学发展了六七十年里,技术的进步是实现我们引力波探测梦想的关键。

在此,向引力波实验物理学家致敬!

发现

经过4年不断升级和测试的高新LIGO终于在2015年9月初试锋芒。事实上,当时身边很多同事对15年的第一次观测运行(O1)能否探测到信号持怀疑态度,因为它的灵敏度还远没到最佳状态。然而宇宙却不经意间给了人一个惊喜。

2015年9月14日北京时间17点50分45秒,LIGO位于美国利文斯顿与汉福德的两台探测器同时观测到了GW150914信号。这个信号首先由低延迟搜索方法来识别(该方法主要为了快速分析探测器数据,并不关心精确的引力波波形,通过寻找可能为引力波的某些特征来较快速地寻找引力波),在仅仅三分钟之后低延迟搜索方法就将此作为引力波的候选事件汇报出来。一小部分数据分析专家大概在事件发生后的30分钟内,最早接触到程序给出的汇报。当时由于信号很强,介于2010年发生过人为注入假信的“大犬事件”,其中大部分人还是不太相信这是真实的信号。第二天中午的组会上,我们所长艾伦神秘兮兮的在我们都进入会议室之后把门锁好,把这个消息告诉了我们。记得当时引发了激烈的讨论,大多数人还是不相信。最后所长无比感慨地说了句:“同志们,如果这是真的信号,想象下,以后我们只要坐在办公室就里,每个月都看到一两次这种事件,是一件多么奇妙的事情!”

之后的一段时间里面,LSC越来越多有可能参与人工注入假信号的科学家,在内部公开发邮件给大家打气,并且保证自己没有人工注入假信号,我们越来越相信,这是一只真的大犬!与此同时,LIGO干涉仪获得的引力波应变数据被我们LSC的数据分析专家们拿来和一个海量的由理论计算产生的波形库中的波形相对照,这个过程是为了找到和原数据最匹配的波形,也就是通常所说的匹配滤波器法。图4展示了进一步数据分析后的主要结果,证实了GW150914是两个黑洞并合的事件。

图4:通过比较引力波数据和由广义相对论计算得出的在旋进(inspiral)、合并(merger)、铃宕(ringdown)三个过程的最佳匹配波形,我们得到了关于GW150914的一些关键结论。图片下方展示了两个黑洞的间距和相对速度随时间演化的过程,它们的速度在不到0.2秒的时间内达到了0.6倍光速。

后续跟进的数据分析结果还显示,GW150914是距离我们13亿光年远的一个29倍太阳质量的黑洞和一个36倍太阳质量黑洞并合事件,在并合后产生了一个62倍太阳质量带自旋的克尔黑洞。想象下,一个几十倍于太阳质量的黑洞,在并合前的不到0.2秒的时间内达到了0.6倍光速,这是会带来何其剧烈的时空扰动!所以尽管这一切发生于距离我们13亿光年以外。LIGO 探测器还是真实地探测到了这一发生在很远、很久以前的大事件!将并合前的两个黑洞和最终的产生的黑洞相比较,可以发现这次并合将大约3倍太阳质量(大约600万亿亿亿(~6×1030)公斤)转换成了引力波能量,其中绝大部分在不到一秒的时间里释放了出去。相比之下,太阳在一秒内发出的能量大约只相当于是四十亿(~4×109)公斤物质转换成的电磁辐射。实际上,令人惊奇的是,GW150914放出的峰值功率要是整个可观测宇宙中所有星系的光度总和的50倍!难怪索恩要说:“黑洞不发光,但却是这个宇宙中最亮的天体!” 是啊,黑洞很亮很亮,并合的那一瞬间,比整个宇宙都亮几十倍,但是如果我们不能探测引力波,它对我们来说就是暗的(或者说,我们是盲的)!我们根本不知道它们在13亿光年外的那一幕闪耀全宇宙的惊心动魄!

意义与展望

首先,爱因斯坦的广义相对论自从100年前提出以来,历经过多次检验。从对水星近日点进动解释,日全食时太阳附近光线偏折测量,再到对引力红移的验证,每一次都验证了广义相对论的正确性。而这一次引力波的探测,有力地支持了相对论在强引力场下的正确性,意义重大。

其次,LIGO探测到的引力波来自于两个黑洞的并合事件,这两个黑洞最后产生一个克尔黑洞。直接证明了双黑洞的真实存在和黑洞时空结构细节。从1916年史瓦西发现一个广义相对论的具有奇特物理性质的解之后,物理学家、数学家、数值计算学家和天文学家都在不同的领域探索这类被称为“黑洞”的解。天文观测虽有黑洞候选体,但是从来没有确认它的时空结构。虽然双黑洞在恒星演化、星系演化理论和数值模拟里存在,但是从来没有明确的观测证据。现在人类终于可以确定:克尔黑洞是一个真实的存在,大于25太阳质量的双黑洞能形成并且在宇宙年龄内可以并合。

最后,也是最重要的,引力波的探测,意味着未来有了无限的可能!昨天的新闻发布会上,莱兹骄傲地说:“以前,我们是聋的;现在,我们能听!”没错,引力波的探测带给我们最大的意义,是引力波让人类拥有了第六感。五亿年前的寒武纪,海里某种叫奇虾的生物率先进化出了复杂的眼睛,从此地球生命有了视觉这一种无比重要的感觉。五亿年后的今天,可以骄傲地宣布,我们拥有了感知一种时空波动能力,这就是我们的第六感!借助引力波赋予我们的这双天眼,我们不仅可以窥探黑洞并合那最后一秒内发生的奥秘,也能饱览宇宙最开始那一秒内的绚丽。

2015年9月14日引力波的发现是科学史上的一座里程碑。这一非凡的成就,凝聚了太多物理学家的心血,也是多少人魂牵梦萦的所在。我们有幸生在这个时代,见证物理学历史的重大进程。对于我们这些亲身参与其中的科研工作者而言,更是感到无比地荣幸。我们怀着激动和欣喜的心情写下上面这些文字的同时,也深深感到这只是开始,自己肩上的担子还是很重。

本次LIGO探测器数据给出了关于引力波和天体源一些非常精确的细节,是不是完美的直接测定所有相对论预言的细节呢?有两个细节还是没有直接给出测量:极化和速度。没有测到引力波的极化是由于LIGO两个探测器的干涉臂几乎平行的方位决定的。未来的探测器加入可以改变这个情况,这不是个难题。 确定引力波是不是以光速传播,需要和光速比较,比如探测同时波源发射的光波。LIGO数据里只包含引力波信息,所以就只能用间接的方法论证这一预言。LSC的科学家利用了探测到不同频率上引力波传播速度一致这个事实,外加“狭义相对论协变性”这一原理,间接的部分的验证了引力波以光速传播。

另外,除了本次探测到的双黑洞并合的引力波之外,还有别的如连续引力波、原初引力波等等其他类型的引力波还没有被探测到。举来自旋转中子星的连续引力波来说,除了对探测器的灵敏度要求更高之外,对我们数据分析的能力也提出极高的要求。由于连续引力波比较弱但是信号周期稳定,所以我们需要采集长达数月的数据进行整体分析,这对计算资源要求极高。有个别连续引力波项目,需要1万台电脑跑一年才能得到结果。Einstein@Home (E@H)项目就是为了搜索这类引力波而建立的。

图5:Einstein@Home的全体成员。图5:Einstein@Home的全体成员。

文章最后,想引用LSC内部几位科学家对本事件的评价来结束此文。

“爱因斯坦当初认为引力波太过微弱而无法探测,并且他从未相信过黑洞的存在。不过,我想他并不介意自己在这些问题上弄错了。”——马克斯·普朗克引力物理研究所(阿尔伯特·爱伊斯坦研究所)所长艾伦(Bruce Allen)

“这项探测是一个是时代的开始:引力波天文学研究领域现在终于不再是纸上谈兵。”——LIGO发言人,路易斯安那州立大学物理与天文学教授冈萨雷斯(Gabriela González)

“通过这项发现,我们人类开启了一场波澜壮阔的新旅程:一场对于探索宇宙那弯曲的一面(从弯曲时空而产生的事物和现象)的旅程。黑洞的碰撞和引力波的观测正是这个旅程中第一个完美的范例。”—— 索恩(Kip Thorne)

“引力波的直接探测实现了50年前就设定好了的伟大目标:直接探测难以捕捉的事物,更好地理解宇宙,以及,在爱因斯坦广义相对论100周年之际完美地续写爱因斯坦的传奇。” ——加州理工学院,LIGO天文台的执行官莱兹(David H. Reitze)

作者简介:

明镜:2010-2013 北京师范大学天文系硕士,师从朱宗宏教授;德国马克思普朗克引力物理研究所在读博士生 LSC成员。

范锡龙:2005-2008级北京师范大学天文系硕士,师从朱宗宏教授;清华大学LSC引力波研究团队 LSC成员。

热门评论
  • 流浪猪
    525

    爱因斯坦世界最伟大的科学家没有之一,什么牛顿霍金在他面前都是渣渣

  • 431

    今天见到一个面黄肌瘦、营养不良、被城管的秤砣砸废了的底层爱国贼喷子,他居然不相信美利坚是人类的希望!真是奇葩!

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