Month: February 2016

什么是引力波？什么是LIGO？这个发现到底有多重要？

　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玩意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。

　意义重大的引力波

这项发现将是对爱因斯坦广义相对论的又一次证明，后者在将近100年前便预言了引力波的存在。但引力波被首次直接探测到的意义还远不仅于此，它还有着更 加重大的意义。作为时空本身的震动，引力波常常会被人和声波进行对比。事实上，引力波望远镜能够让科学家们在光学望远镜“看到”某个现象的同时“听到”它 的“声音”。

有趣的是，当LIGO项目在上世纪90年代早期寻求美国政府的资金支持时，它在国会面对的最大反对者竟然是天文学家们。美 国佛罗里达大学广义相对论专家，LIGO项目的早期支持者克里福德·威尔（Clifford Will）指出了出现这种情况的原因：“当时普遍的观点是认为LIGO这个项目与天文学之间似乎关系不大。”而反观今天的情况，人们对此的观点已经完全变 化了。

欢迎来到引力波天文学的世界！

一、黑洞真的存在吗？

正如外界所传言的那样，此次宣布的消息 是有关两个黑洞合并过程中产生的引力波信号。这样的事件是宇宙中最高能的事件之一——这一过程中产生的引力波信号强度 甚至可以短暂超过整个可观测宇宙中所有恒星产生的引力波效应之和。与此同时，来自两个黑洞合并时所产生的引力波也是所有引力波类型中信号最清晰，最便于解 译的类型之一。

当两个黑洞以螺旋形轨道逐渐相互靠拢时，合并过程便开始了，在此期间会释放出引力波。这种引力波拥有特征性的信号，科学 家可以利用这些特征信号解译出合并的 两个黑洞各自的质量大小。在那之后，实际上这两个原先独立的黑洞就融为一体了。法国巴黎高等学术研究所的引力理论学家迪尔巴特·达摩尔（Thibault Damour）指出：“这就有点像是你将两个肥皂泡泡靠得很近，以至于它们最终融合一体了。而在合并的初始阶段，较大的那个泡泡会发生扭曲变形。”黑洞合 并的情况非常类似，而一旦合并过程完成之后，形成的单一黑洞将恢复为完美的球形。

探测到黑洞合并产生的引力波信号，其中的一项意义可能 会出乎一部分人的意料，那就是证实黑洞的存在——至少由爱因斯坦广义相对论中所预言的那种纯粹、空旷的扭曲封闭的时空区域的确是存在的。这一信号的另外一 层意义是可以让科学家们确认黑洞的合并过程的确是与先前的理论预测相吻合的。天文学家们手里已经掌握了 许多此类现象存在的证据，但到目前为止它们都来自对围绕黑洞周围存在的恒星以及高温气体行为的观测，也就是间接证据，而非来自黑洞本身的直接证据。

美国普林斯顿大学的广义相对论专家弗兰斯·普雷特瑞斯（Frans Pretorius）指出：“整个科学界，包括我本人，都已经对黑洞的话题感到厌倦，我们已经对此习以为常了。然而如果你想要宣布一项激动人心的预言，那么我们就需要看到非常扎实的证据。”

二、引力波是以光速传播的吗？

当科学家们将来自LIGO的观测结果与来自其他类型望远镜的观测数据进行对比时，他们检查的第一个项目往往就是查看这两个信号是否是在同一时间抵达的。 物理学家们认为引力是由一种被 称作“引力子”的粒子负责传递的，它们就像构成光线的光子一样。而如果这些粒子也像光子那样不具有质量，那么引力波就将能够以光速传播，从而与广义相对论 中关于引力波应当能够以光速传播的预言相吻合。

然而另外一种可能性就是引力子可能具有极小的质量，如果情况是那样，这就意味着引力波 的传播速度可能无法达到光速。如果的确如此，那么LIGO等设施将会发现来自遥远天文事件中产生的引力波信号抵达地球的时间要比工作在γ射线波段等“传 统”望远镜的探测到信号的时间稍晚一些。如果这一情况出现，那就将构成对基础物理学理论的重大挑战。

三、时空是由“宇宙弦”组成的吗？

如果能够探测到来自所谓“宇宙弦”的引力波信号，那么则会出现更加诡异的情况。所谓“宇宙弦”是一种假想中存在的宇宙时空弯曲中的缺陷，它可能与弦论有 关，也可能无关。这种“宇宙弦”无限薄，但长度却能拉长到宇宙尺度。研究人员认为，这种宇宙弦如果的确存在，可能会产生一些扭结；而如果其中的一根弦断 裂，则 会产生一阵引力波涟漪，这样的信号应该是可以被LIGO这样的设施监测到的。

四、中子星是完美的球体吗？

中 子星是大质量恒星死亡之后留下的残骸，它们的密度极高，以至于将组成它们自己的原子中的电子压入了原子核，并与其中的质子中和形成了中子。科学家们对于中 子星环境下的极端物理了解甚少，而引力波将能够为我们提供这方面的全新信息。举例来说，中子星的超强引力场理论上会使整个中子星星体成为完美的球体。但一 些研究人员却认为在中子星上可能仍然会存在“山峰”——尽管高度可能只有几个毫米。但尽管如此不起眼，但严格来说，这些小“突起”的存在也的确让这样一类 直径一般仅有10公里左右的高密度天体的完美球体外观被打破了。通常情况下中子星的自转速度是非常快的，因此任何的微小凸起都将造成时空的扭曲并产生连续 的引力波信号，这种引力辐射过程会带走一部分能量并造成中子星自转速度的逐渐下降。

相互绕转的两颗中子星也会产生连续的引力波信号。和 黑洞一样，这两颗中子星会最终相互靠近并融合为一体。但这一过程和黑洞合并过程存在本质不同，普雷特瑞斯指出：“你面临大量不同的可能性，这取决于中子星 的质量以及构成中子星的高密度物质能够施加的压力大小。”举例而言，两颗中子星合并后的结果可能是一个质量更大的中子星，但另外一种可能性是，这两者合并 之后立即在巨大压力下塌缩，形成一个黑洞。

五、是什么引燃了恒星爆炸？

当一颗大质量恒星耗尽其自身内部燃料时，它将 迎来死亡的时刻，在一次巨大的爆发之后形成黑洞或中子星。天体物理学家们认为这一过程正是形成II型超新星爆发的元凶。对于这类超新星爆发过程的模拟研究 目前还未能明确给出是什么直接“点燃”了此类剧烈爆发的答案，但对于来自真实超新星爆发过程所产生引力波信号的倾听和分析将有望帮助我们最终找出这个问题 的答案。根据这些引力波信号的波形特征、强度、频率以及引力波信号与电磁波信号抵达时间之间的相互关系，这些数据将帮助科学家们证实或排除现有的一些理论 模型。

六、宇宙膨胀的速度有多快？

宇宙的膨胀意味着那些本身正在远离我们的遥远星系，它们的光谱红移值会大于真实数 值，因为它们所发出的光线在抵达我们的路途中会由于空间本身的膨胀而被拉伸。宇宙学家们正是根据对遥远星系光谱红移值的观测，并将这一数值与这些星系的真 实距离进行对比，从而反推出宇宙的膨胀速度的。而对于这些遥远星系的真实距离，则是根据这些星系内部出现的所谓Ia型超新星爆发亮度进行估算的。这种估算 方法在天文学距离测量上被广泛使用，但必须承认这种方法同时也存在着很大的不确定性。

而如果全世界各地的多个引力波探测设施都检测到来 自同一次中子星合并事件的引力波信号，那么将这些来自不同设施的观测数据结合起来，科学家们将有机会计算出这一信号的绝对强度，而这也将反过来让我们得以 可靠地计算出这一中子星合并事件发生地与地球之间的距离有多远。同样的，我们还能够判断出信号发来的方向， 并据此进一步找到这一合并事件究竟发生在哪一个具体的星系内部。接下来，通过对这一星系红移值的观测，并将其与引力波信号得到的真实距离进行对比，我们将 能够有机会在更高的精度上实现对宇宙膨胀速率的估算。