获诺贝尔物理学奖的引力波是啥？要从爱因斯坦说起

Daphane

來源: 新浪科技


艺术示意图：LIGO探测到两个正在合并过程中的黑洞

　　新浪科技讯 北京时间10月3日消息，据国外媒体报道，刚刚，瑞典皇家科学院宣布将2017年诺贝尔物理学奖授予三位引力波探测计划的重要科学家，三人均来自LIGO/VIRGO合作组，以奖励他们在“LIGO探测器以及引力波探测方面的决定性贡献”。奖金的一半授予莱纳·魏斯（Rainer Weiss），另外一半由巴里·巴里什（Barry C。 Barish）和基普·索恩（Kip S。 Thorne）两人分享。
　　你还记得吗？就在2016年的月11日，激光干涉引力波天文台（LIGO）的科学家们举行新闻发布会，宣布他们首次探测到引力波信号，这一消息轰动了整个世界。
　　故事发生在2015年9月14日格林尼治时间09：50：45（北京时间17：50：45），位于美国华盛顿州汉福德和路易斯安那州列文斯顿的两座LIGO探测设施均接收到一个来自编号为GW150914的引力波信号。首次探测结果获得的数据明确指向一个结论，即GW150914信号是由两个黑洞的合并过程产生的。从分析图上可以清晰看到，根据LIGO汉福德观测站所获得数据对于引力波模式的重建与根据广义相对论原理构建的双黑洞合并释放引力波波形模式两者之间存在惊人的吻合。
　　通过将实测数据与理论波形预测进行对比，使得科学家们能够检验广义相对论是否能够完全描述这一事件。结果表明广义相对论完美通过了检验：所有的观测数据均与广义相对论的预测完全吻合。
　　检验爱因斯坦的预言
　　引力波是时空的涟漪，它是由宇宙中的一些最为剧烈的事件产生的，如大质量致密天体的碰撞或合并事件。引力波的存在早在1916年便已经由爱因斯坦预言，当时爱因斯坦证明了加速下的大质量物体将会扭曲时空，并产生从该源头发出的时空涟漪。这种“涟漪”将以光速穿过宇宙，携带着关于产生它们的那次灾难性事件和引力本质的珍贵信息。
　　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。
　　洞察宇宙阴暗面
　　亚利桑那州立大学理论物理学家劳伦斯·克劳斯（Lawrence Krauss）表示：“引力波探测将让我们得以窥探宇宙的黑暗一面。引力波天文学将成为21世纪的天文学。”科学家们能够运用这些数据来推测产生引力波信号GW150914的天体系统的一些特征，包括这两个黑洞在相互合并之前各自的质量大小，合并后形成的单一黑洞质量大小以及这一双黑洞系统到地球的距离远近等等。
　　对首次引力波探测信号的分析结果显示，GW150914是由两个质量分别为36倍以及29倍太阳质量的黑洞合并而成的，合并后形成的单一黑洞质量约为62倍太阳质量。另外，我们还推定这一合并后产生的黑洞存在自转，这种自转的黑洞最早是在1963年由数学家克尔（Roy Kerr）提出的。因此可以说，LIGO探测设施此次是探测到了发生在很久很久之前，在一个遥远星系中发生的一次重大事件！
　　如果我们将合并之前和之后的黑洞质量进行比较，就会发现这一黑洞的合并过程将大致相当于3个太阳的质量（约合600万亿亿亿千克）转化成了以引力波形式散发出去的能量，其中绝大部分在一瞬间便被辐射了出去。相比较之下，太阳每秒钟只会将自身质量的大约5万亿亿分之一转化为电磁辐射。事实上，GW150914所发出的引力波的辐射功率要比整个可观测宇宙中所有恒星和星系的光度加在一起的总和还要多出10倍。
　　第二次探测到引力波信号的意义
　　而在北京时间6月16日的凌晨1：15， LIGO科学合作组（LSC）和Virgo合作组的科学家们再次举行新闻发布会，报告他们第二次探测到引力波信号的消息。这是他们自从今年2月份宣布探测到引力波信号以来的首次发布会。
　　和LIGO的第一次探测相比，此次探测到的信号频率更高并且持续的时间也更长，表明参与合并的黑洞质量更小。测算显示两个黑洞的质量分别为14倍和8倍左右太阳质量，合并之后形成一个质量约为21倍太阳质量的黑洞。
　　另外，在首次引力波探测信号中，科学家们只观测到两个黑洞碰撞合并之前的最后一圈或是两圈绕转过程，而此次科学家们一共追踪到两个黑洞合并之前的最后27圈相互绕转。研究人员表示：这将让我们能够更为精确地检验爱因斯坦的广义相对论并对黑洞的各项参数做更加精确的估算。
　　此次，研究组同样有机会对参与合并黑洞的自旋情况进行观测，结果显示至少那个质量较大的成员黑洞存在自旋，速率约为黑洞自旋理论最大速率的20%左右。LIGO项目组成员，美国西北大学的维基·卡罗基拉（Vicky Kalogera）表示：“如果光从首次引力波探测信号来看，参与合并的两个黑洞似乎是不存在自旋的，那么从这个角度来说，此次属于新发现。”
　　此次发布会的一开始，LIGO科学合作组发言人，美国路易斯安那州立大学的加布艾拉·冈萨雷斯女士女士（Gabriela González）就开门见山地宣布了再次探测到引力波的消息。并且这次事件被探测到的事件点也很有趣，正好是在圣诞节刚过，因此这一发现也被很多人视作是上帝给予辛勤工作的科学家们的一份“圣诞节特别礼物”。
　　再次探测到引力波信号的另外一大意义就在于，它能够帮助我们估算黑洞合并事件的发生概率，因为一次探测可能只是孤例，而此番再次探测到引力波信号则证明引力波信号的探测并非罕见事件，有理由预期未来还将有更多探测案例的出现，从而真正开启一个崭新的引力波天文学时代！
　　请闭上眼睛，再次想象一下： 14亿年前，在遥远的宇宙深处有两个黑洞发生相互合并，这一过程产生的时空涟漪穿越广袤宇宙，终于被地球上的我们探测到。这究竟是科幻还是现实？