探测引力波如果证实意味什么?

示意图：两个黑洞的合并过程及其对于背景星光的扭曲形变效果

一个中央存在两个黑洞的星系

　　新浪科技讯  北京时间2月11日消息，在过去的近10年时间里，尽管圈子非常小，但一个全新的天文学领域的确正逐渐出现，那就是引力波天文学。和传统天文学使用天文望远镜对宇宙进行观测不同，引力波探测器使用的是激光和反射器，研究人员会让激光在两块呈直角方位的反射镜之间来回，并观察两束光波叠加时所呈现的干涉条纹特征。这正是位于美国的“激光干涉引力波天文台”（LIGO）所采用的做法。在2002年至2010年之间的运行时期，LIGO设施验证了其设计概念的可行性，随后经历了长达5年的关闭升级。直到2015年9月份，升级后的该设施被重新启用并被称作“先进LIGO”。而就在今天晚上，北京时间2月11日23：30许，先进LIGO合作组即将对外发布他们的首个重要科学成果。对此，外界普遍的猜测是：他们将要宣布首次直接探测到引力波信号的消息。如果这个消息最终结果被证实，这将意味着什么？

一个脉冲星双星系统及其产生的时空涟漪（引力波）示意图

LIGO设施工作原理图

　　时空中的涟漪

　　当爱因斯坦最早提出他的广义相对论的时候，他彻底革新了我们原先对于时间与空间的概念理解。我们此前一直认为空间是恒定而不变的，物质和能量存在于其中。但爱因斯坦的理论指出空间实际上与能量和质量之间都是相互联系的，并且随着时间推移空间也在发生变化。如果只存在一个质量物体，静止地存在于时空之中（或者处于匀速运动状态），那么它所处的时空不会发生变化。但如果你加入第二个质量物体，那么这两个物体之间就会发生相互运动，互相会向对方施加一个加速度，在这一过程中也就将造成时空结构的改变。更加重要的是，由于存在一个大质量粒子在引力场中运动，广义相对论指出这一大质量物体将会被加速，并释放一种特殊的辐射：引力辐射。

　　这种引力辐射与你所知的其他任何种类的辐射都不同。它会以光速穿越空间，但它本身又是空间中的涟漪。它从被加速的物体带走能量，这就意味着，如果这两个质量物体处于相互运行的轨道之中，那么随着时间推移这个轨道将会逐渐收缩，这两个质量物体之间的距离将逐渐缩短。不过不要太过担心，对于像地球围绕太阳运行这样一个系统，相对而言这两个天体的质量还太小，而两者之间的距离又非常巨大，因此在引力波耗散能量的条件下，这个轨道也将需要经过10的150次方年才会衰减崩溃，如此长的时间早已远远超过了宇宙的年龄，事实上这也远远超过了已知所有恒星的寿命！然而对于相互绕转的黑洞或中子星而言，它们之间存在的轨道衰减效应则已经被观测到了。

　　科学家们认为宇宙中可能还存在着我们尚未探测到的更高能的事件，如黑洞的相互合并。这类事件应该会产生某种特征信号，而这样的信号是可以被“先进LIGO”系统捕捉到的。

先进LIGO设施的引力波探测范围示意图

先进LIGO设施升级过程中，工程师正在工作

　　先进LIGO探测器

　　从本质上而言，“先进LIGO”系统采用的探测手法是相当简单而直接的，它利用了引力波辐射的本性和它最重要的性质之一。引力波会造成空间的拉伸或压缩，其频率和强度取决于形成这种引力波的天文事件所具有的一系列特征，如两个相互绕转天体各自的质量大小、它们两者之间的间距以及这一系统距离地球的远近。“先进LIGO”设施包括两条互相垂直的长臂，长度均为4公里。将一束激光用分光镜分成夹角为90度的两束，然后两束激光分别被4公里外的反射镜反射回来并发生干涉，并且这样的反射可以来回进行多次，从而大大增加激光运行的路径长度。由于频率和波长完全一致，在正常情况下，这两束激光应该是完全相同的，但是如果存在引力波作用，则会对这两束激光的波长频率产生影响，从而导致两束激光在叠加的干涉条纹上出现改变。这样的改变将能够让科学家们判断两个绕转天体各自的质量大小、它们之间的间距以及这一系统到地球之间的距离等丰富的信息。

　　先进LIGO包括两处设施，分别位于美国西北部（华盛顿州）以及美国东南部（路易斯安那州）。如果这两处设施均观测到同样的信号，那么我们几乎就能够肯定我们的确是观测到了引力波信号了。目前版本的LIGO系统对于质量在1倍太阳质量到数百倍太阳之间之间的两个黑洞合并过程可能产生的引力波信号最为敏感，且其探测能力可以覆盖距离地球数百万光年之外——在这样一个巨大的空间范围内，符合条件的黑洞合并事件每年都会至少发生几次。

　　如果今晚LIGO合作组真的如外界所传言的那样，正式宣布探测到引力波信号的消息，那么这一消息所承载的意义将远远超出其本身——这将是对爱因斯坦广义相对论的全新检验，也是人类历史上对引力辐射首次成功的直接探测。“先进LIGO”是有史以来人类建造的最先进的引力波观测设施，因此也是最有希望能够窥见真实引力波信号的地方。该项目有超过1000名顶尖科学家参与其中，因而也使其成为规模最为庞大的引力波搜寻国际合作研究项目。如果所有科学目标都能够如预期中的那样达成，那么就在今晚，我们将一起见证一个全新天文学时代的开端。

　　尽管这次的消息最早是由一位项目组之外的科学家劳伦斯·克劳斯（Lawrence Krauss）最先披露的，因而也引发了外界的广泛批评——因为这样的消息理应是由当事方，也就是LIGO项目合作组来负责对外发布的。但不管如何，就在今晚，如果引力波被首次直接探测到的消息能够得到证实，那么这些都将显得不再那么重要，因为我们将会因此受益良多：我们将会再次确认爱因斯坦是对的，引力辐射是真实存在的，并且黑洞的合并过程的确会产生这样的引力辐射，而更重要的是，这样的引力辐射信号是可以被 从地球上探测到的。这将是一个全新的天文学领域，一个不需要望远镜的新的天文学领域，它将引领我们打开理解黑洞、中子星和其他难以采用传统方法进行观测的天体类型的全新视野。（晨风）

来源：新浪科技

---

近期热门文章Top10

↓ 点击标题即可查看 ↓

点击公众号内菜单栏“Top10”可查看过往每月热门文章Top10

---