宇宙中的“新”信使——引力波

作者|邢崇

审核|赵经远

编辑|高天可

随着科技的日益发达,如今的天文观测也愈发呈现出百花齐放的姿态。说到天文观测,不知可爱的你能想到什么呢?

Scene 1

夜空下,只见一名不知疲倦的天文学家拿着望远镜在星河里遨游……咔!先打住,都啥年代了,难道现在的天文发现还都是这样一点点看的?(当然,小星真得向那些至今还坚守在目视一线的爱好者致敬,尤其是那种动不动能发现个新天体的,那是真的6哇~)

观测中的伽利略(图片来源于网络)

Scene 2

偌大的屏幕前,一位辛勤的天文工作者整理者刚刚观测到的数据,输入一条指令,那口“大锅”再次工作了起来……少年,都知道多波段观测了,有进步哇!当你脑海中的天文观测不再局限于光学 “频道”,恭喜你可以正式走进今天的文章了~

FAST(图片来源于网络)

二十世纪初,受到加速运动的电荷会生成电磁波这一启发,昂利·庞加莱突发奇想:如果把电荷换作质量呢?于是,引力波——这个活跃于演草纸上百年的新名词渐渐走进科学家的视野。故事同往常一样,这怎能少了爱因斯坦呢~广义相对论发表之后,他也考虑起引力波来,但相似归相似,质量与电荷又有着许多区别。

太阳与地球导致的时空扭曲想象图(图片来源于LIGO)

尽管困难重重,谁让人家是个“小天才”呢,在1916年论文《重力场方程组的近似积分》中,爱因斯坦给出了通过广义相对论推出的三种引力波,不过经过科学家们的讨论,只有“横横波”乖乖地以光速传播,不像它另外的两个兄弟那样以任意速度传播。不过由于一切都还是基于理论假设,再加上每一种相关解答都会出现奇点,最初连爱因斯坦自己都觉得引力波也就推推得了,不存在的~

后来几经讨论,包括有的科学家指正,爱因斯坦又对之前的观点进行修改,但是理论推算得出的引力波实在是太微弱了,以至于爱因斯坦本人也不相信人类能探测到它。由于我们所观测到的引力波基本都来自那种高质密的天体,而它们常常又离我们很远,所以即便是一次很强的事件,等传到地球都已经微弱的超乎你想象了。最初设计的引力波探测器叫作韦伯棒(由约瑟·韦伯设计与建成),神奇的是1969年韦伯便宣布探测到了引力波……可后来,许多的团队也用同样的装置却并没有什么收获……

1974年,拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒发现有一个双脉冲星系统在互相公转时,由于不断辐射引力波而失去能量,并逐渐相互靠近,这也成了引力波存在的首个间接证据,两位天文学家因此获得1993年诺贝尔物理学奖。

一次划时代的伟大发现到来前,往往都是一次又一次的挫折, 早在1962年,就由俄国物理学者发表论文阐述了通过干涉仪来探测引力波的方法。理论虽然有了,但看看随后几十年的进展,实施起来的难度想必大家也能了解一二了。

1984年,加州理工学院与麻省理工学院签署了设计建造激光干涉引力波天文台(LIGO)的合约。1999年完工后,于2002年~2010年进行了漫长的搜寻工作。令人欣慰的是,近10年的坚守终于换来了“一些宝贵的经验”(哈???)

激光干涉引力波天文台(图片来源于LIGO)

于是,在2010年~2014年间LIGO又被重新设计建造,改善后灵敏度增加了10倍以上,于2015年开始了新一轮的探测。直到后来……想必大家也都知道了,2016年2月11日,LIGO宣布,人类于2015年9月14日首次直接探测到源自于地球13亿光年外,由两个几十倍太阳质量的黑洞合并产生的引力波事件(GW150914)!

两黑洞合并想象图(图片来源于LIGO)

有了第一次,接连的发现也“接踵而来”,正如文章开始的所说的那样,引力波也成了天文观测的新手段。其中,2017年8月17日,在LIGO与VIRGO探测到源于1.3亿光年外NGC4993星系中的两个中子星合并产生的引力波事件(GW170817)后,仅过了不到2秒,费米伽马射线空间望远镜也探测到对应的伽马射线暴(GRB170817A),约11小时后,位于智利的欧南台斯伍普望远镜(Swope,口径1.02米)又在该区域发现了光学瞬变天文事件(AT 2017gfo)。我国的南极巡天望远镜和硬X射线调制望远镜卫星(HXMT)也在这一天文学的盛会中起到了莫大的作用,其中HXMT不仅在引力波事件发生时成功监测了引力波源所在天区,还对其伽马射线电磁对应体(简称“引力波闪”)在百万电子伏特(MeV)高能区的辐射性质给出严格限制。如此一来,人类也算是首次实现了引力波与电磁波不同波段的首次联合观测!这也标志着多信使天文学新纪元的到来。

GW1708717的电磁对应体AT 2017gfo(图片来源于HST)

GW170817双中子星并合事件解读(图片来源于网络)

至今,人类共观测到10次双黑洞并合和1次双中子星并合引起的引力波事件,随着引力波探测趋于常态,人类对引力波的了解也必将深化。2017年10月3日,2017年度诺贝尔物理学奖授予美国科学家雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩,以表彰他们“在LIGO探测器和引力波观测方面做出的决定性贡献”。虽然已经探测到了双黑洞合并及双中子星合并产生的引力波事件,但人类至今尚未探测到宇宙诞生的第一声啼哭——宇宙大爆炸产生的原初引力波。目前,由我国提出并主导的一系列引力波探测计划——阿里原初引力波探测计划、天琴计划、太极计划等即将启动,小星期待我国在引力波研究领域步入世界前列!

至今已经公布的10个黑洞合并引力波事件(图片来源于LIGO)

有关引力波的更多疑问,欢迎大家在评论区留言,小星会为你一一解答哦~

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