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引力波研究者親述:我見證了十億年前宇宙的漣漪
點擊:  作者: 胡一鳴    來源:公眾號科學(xué)人  發(fā)布時間:2016-02-14 10:47:51

 

          本文作者胡一鳴是LIGO科學(xué)合作組織成員。胡一鳴曾任南大天文愛好者協(xié)會會長,目前是德國馬克斯-普朗克引力物理研究所、清華大學(xué)博士后,研究引力波。

10億年以前,地球。

超級大陸羅迪尼亞大陸剛剛形成,地球上的生命大多數(shù)還是以單細(xì)胞的形式存在,部分生活在菌叢中,開始有分工分化,形成第一棵多細(xì)胞植物。沒有人類,沒有哺乳動物,連恐龍都還沒有影子。

10億年以前,宇宙深處。

 

通過分析數(shù)據(jù),估計的信號來源的概率分布圖。

 

兩個巨大的黑洞在經(jīng)歷了漫長的繞轉(zhuǎn)以后,通過引力波輻射能量,越轉(zhuǎn)越近。長年累月的公轉(zhuǎn),已經(jīng)讓它們不堪重負(fù),能量的損耗也在日漸加快。最后,它們終于放棄了抵抗,猛地撞到了一起。這兩個黑洞消亡了。一個更巨大的新黑洞,誕生了,伴隨著時空中被攪動的滔天巨浪,那是它這一生也許是唯一一次的啼哭。這個新生兒的第一聲哭喊,以光的速度飛速向外傳播……

巨浪變成了浪花……

歲月無聲。

浪花化作漣漪……

經(jīng)過10億年的漫長旅行,一小部分引力波信號終于抵達(dá)了地球。地球其實并沒什么特殊的,對引力波來說,物質(zhì)幾乎是透明的,穿過地球和穿過真空,并沒有什么太大的差別。正如之前穿過這個普通行星的億萬次引力波信號一般,這一個信號沒有任何的特別之處。

唯一的特殊在于,這一次,那些單細(xì)胞生命演化成了人類,他們研究出了數(shù)學(xué)和物理,搗鼓出了相對論和激光,還用激光編制出一張捕捉引力波的網(wǎng)。

雁過留痕。時空的漣漪,在不經(jīng)意間撥動了激光編制的琴弦。

 

LIGO 漢福德臺址鳥瞰。圖片來源:LIGO Laboratory/Corey Gray

 

于是,2015914日,我的郵箱里收到了一封內(nèi)部郵件,Event G184098。郵件里描述了實時分析數(shù)據(jù)的軟件得到了一個顯著性極高的候選對象。后來,它換了個名字,GW150914,在15914日探測到的引力波(GW)。

這張捕捉引力波的網(wǎng),叫做advanced LIGO,高新激光干涉儀引力波天文臺,而參與建造、維護(hù)儀器,分析數(shù)據(jù)的1000多位科學(xué)家,組成了一個叫做LIGO科學(xué)合作組織的科研團(tuán)隊。

 

LIGO科學(xué)合作組織的成員單位一覽。圖片來源:LSC。

 

100年前,那個依然英俊的青年愛因斯坦經(jīng)過十年的苦思憫想,參悟了時空和引力的本質(zhì),寫下了劃時代的公式。那個簡潔美妙的公式,被后世的另一個才華橫溢的學(xué)者約翰·惠勒總結(jié)為:時空命令物質(zhì)如何運(yùn)動,而物質(zhì)引導(dǎo)時空如何彎曲。

100年后,經(jīng)過幾代科學(xué)家一個世紀(jì)的不懈努力,我們終于站在一個新時代的全新起點,迎來了人類探測到的第一個引力波信號。

LIGO科學(xué)合作組織的1000多名科學(xué)家在接下來的日子里忙壞了,分布全球的多個超級計算機(jī)開足了馬力,想要將那一段短短數(shù)秒的信號背后的物理全部挖掘出來。慢慢的,如同盲人摸象般,我們開始一層層解開這一引力波信號的面紗。

 

上圖:兩個探測器所觀測到的GW150914引力波事件。該圖展示了在兩個LIGO探測器中觀測到的由該事件產(chǎn)生的引力波“應(yīng)變”如何隨時間(秒)和頻率(赫茲)變化。圖片來源:LSC/Virgo collaboration

 

我們知道,這個信號,先經(jīng)過利文斯頓,再經(jīng)過漢福德,兩個探測器,相隔7毫秒,留下了幾乎一模一樣的波形。所以可以確定信號來自南天球。

我們知道,信號在0.2秒的時間從35赫茲躥升到150赫茲。 這是兩個極重的恒星級別黑洞的并合,其中一個是太陽質(zhì)量的29倍,另一個是太陽質(zhì)量的36倍。在這短短的一眨眼間,有大約3倍于太陽質(zhì)量的物質(zhì)通過愛因斯坦的質(zhì)能方程E=mc^2轉(zhuǎn)化為了能量。

我們知道,這一過程的峰值功率為3.6x10^49 瓦,十倍于整個可觀測宇宙的電磁波能量總和。如果這些能量以可見光的形式傳播,那么即使是遠(yuǎn)在十億光年之外的地球上,它的亮度也會輕松超過滿月。

我們知道,在穿越地球時,他強(qiáng)由他強(qiáng),清風(fēng)拂山崗;他橫由他橫,明月照大江,引力波來無影去無蹤,地球所吸收的能量,僅僅是10^-17焦,或者說相當(dāng)于一個X射線光子的能量。

我們知道,它大約來自13億光年以外,所以正應(yīng)了星球大戰(zhàn)的開篇:很久很久以前,一個很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的星系發(fā)生的驚心動魄的故事。

時空交錯而成的池塘上,由于這一對黑洞的攪動,吹皺了一池春水。對于天文學(xué)家來說,這點點漣漪意味著我們有了黑洞存在的強(qiáng)有力證明:在并合之前的一瞬間,在如此小的間距內(nèi)聚集著如此巨大的質(zhì)量,除了黑洞實在是不做他想;它也意味著我們第一次觀測到了雙黑洞系統(tǒng)的存在;我們也確定了這種系統(tǒng)可以在足夠短的時間(10億年,對,足夠短了)內(nèi)并合;我們可以估算這一類時間的發(fā)生率,事實上,整個宇宙每時每刻都有黑洞雙星并合,根據(jù)LIGO的數(shù)據(jù),每15分鐘就應(yīng)該有一個引力波到達(dá)地球,當(dāng)然,絕大部分都太過微弱而掩埋在噪聲中;腦洞開得大一些,我們還可以這黑洞系統(tǒng)來自低金屬豐度的前身星,其恒星風(fēng)較弱,所以沒帶走太多質(zhì)量。

一葉知秋,通過這短短數(shù)秒的信號,讓上千名科學(xué)家在幾個月的時間里忙壞了。我們今天終于驕傲地向世人宣布引力波的首次直接探測。多少人,多少年的期待,終于變成了現(xiàn)實。今天,雷納·韋斯、基普·索恩和羅納德·德雷弗的案頭上,大概會有人倒上一杯香檳。來自斯德哥爾摩的電話,多半也已經(jīng)在籌劃。

這是一個偉大的時代,電磁波望遠(yuǎn)鏡是人類的眼睛,看到這五彩繽紛的宇宙奇異瑰麗的美景;引力波探測器則是人類的耳朵,人類以前就像是聾子,現(xiàn)在終于可以聆聽宇宙的呢喃。2015914日,值得載入史冊的一天。

這小小的時空的漣漪,無聲無息地如鬼魅般穿過地球,對科學(xué)家來說卻不亞于驚天巨雷。正如馬克斯-普朗克引力物理研究所所長布魯斯·艾倫所說:愛因斯坦當(dāng)初認(rèn)為引力波太過微弱而無法探測,而他也從未相信過黑洞的存在。不過,我想他并不介意自己在這些問題上弄錯了。聽到這個消息,愛因斯坦大概也會垂死病中驚坐起,笑問客從何處來吧。

然而,這段穿越地球的經(jīng)歷對那十億年前出發(fā)的引力波來說僅僅是個小插曲,它將繼續(xù)著它的旅程,前往下一個遠(yuǎn)方。

時空的漣漪,向遠(yuǎn)處蕩開……

后記:作為一個天文愛好者,我時常仰望星空。寫下這段文字的時候,我不禁聯(lián)想, 相對于這漫天星空,人類無論從質(zhì)量,密度,尺度,溫度還是從壽命來看,都渺小得無以復(fù)加,我們?nèi)粘I钪兴鶡缿n愁或喜極而涕的各種大事,在宇宙看來都不值一哂。然而正是由于插上了科學(xué)的翅膀,這渺小的人類可以嘗試?yán)斫庥钪妫炎约汉瓦@宏大的天體融合在一起。通過天文學(xué),人類可以認(rèn)識到自己的渺小,這不是讓人無力,而是給人以天地一沙鷗的豁達(dá)。我時常慶幸自己何其幸運(yùn),能參與到這一科學(xué)探索的偉大歷史中,做出自己些微的貢獻(xiàn)。而在屏幕另一端的你,也處在一個幸運(yùn)的時代,用你的電腦,一樣可以為引力波的搜索做貢獻(xiàn)!引力波的種類有很多,LIGO的科學(xué)目的除了探測來自致密雙星并合的信號外,也會搜索來自銀河系內(nèi)的中子星的連續(xù)信號。這個搜索由于需要大量計算資源,哪怕用上LIGO自己的超級計算機(jī)也不夠,所以常年征求志愿者貢獻(xiàn)CPU時間,只需要登錄http://www.einsteinathome.org/,你就可以下載Einstein@Home的程序,用你電腦的閑暇時間的空余CPU,處理來自LIGO的數(shù)據(jù),搜索時空的漣漪。

責(zé)任編輯:向太陽
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