与LIGO合作的科学家声称,他们再次探测到了引力波——在宇宙中运动的物体在时空中产生的涟漪。这是这些研究人员在今年早些时候成为历史上第一个这样做的团队之后,第二次发现引力波信号。
“第一次发现不只是运气。”
第二次检测提高了LIGO真正测量波而不是其他东西的可能性。”LIGO研究员、锡拉丘兹大学物理学教授邓肯•布朗(duncanbrown)说:“看到第二个如此响亮的信号,意味着第一次检测到的不仅仅是运气。”。这两个波信号也发生在短短几个月内对方,暗示这些检测可能会发生相当频繁的LIGO前进。
与最初的发现一样,这些波来自于两个黑洞的合并——一个恒星坍缩死亡时形成的超致密物体。在合并过程中,这些黑洞以每秒几圈的速度快速旋转,然后合并成一个密度极高的物体。整个过程产生了巨大的引力波,以光速向外涟漪。这些海浪在太空中翻滚了14亿年,最终在12月26日(或美国的12月25日)到达地球,当时LIGO的两个天文台接收到了它们。这一发现在最近发表在《物理评论快报》上的一项新研究中有详细说明。
两个黑洞合并的动画(美国宇航局)
虽然利戈的两次探测都源于黑洞的合并,但产生它们的两个事件却不同。今天发现的黑洞比第一对小得多;这些天体的质量大约是太阳的8倍和14倍,而第一批天体的质量大约是29倍和36倍。因为这些洞比较小,所以不会产生那么强的信号。但孔的尺寸越小,产生的信号持续的时间就越长。这是因为质量较小的物体相互之间的“牵引”力不强,所以它们的合并需要更多的时间。这产生了一个信号,LIGO测量了整整一秒钟-比第一个信号的0.5秒长得多。更长的观察时间使得研究人员能够观察到比以前更多的合并黑洞的旋转。
第二次探测暗示黑洞合并发生的频率相当高
第二次探测也暗示了黑洞合并发生的频率相当高,LIGO将能够发现很多。利戈的第一次发现发生在九月,而这一次发生在几个月后。甚至有可能在去年年底合作测量到第三个信号,但研究人员还不能确定它是否来自引力波。
一个发现可能是错误;第二个发现让科学家更加自信。研究人员现在认为,他们可以开始利用引力波信号来进一步了解分布在整个宇宙中的黑洞类型。”通过第一次探测,我们实际上实现了对引力波的探测,标志着一个非常漫长的时代的结束通过第二次探测,我们开启了引力波天文学的时代。”
引力波是爱因斯坦广义相对论的一个重要组成部分,1916年爱因斯坦的广义相对论首次提出时,它彻底改变了物理学。在那之前,空间和时间被认为是固定的概念,彼此之间并没有任何影响。广义相对论改变了这一切,把空间和时间结合成了一个单一的概念,即时空。他们的想法是物体实际上可以扭曲和弯曲它们周围的时空;物体越大,它的时空印记就越大。当这些巨大的物体移动时,它们会产生起伏的时空涟漪,或者说引力波,就像在池塘里产生涟漪一样。
探测这些涟漪是一门超精密的科学
直到最近,引力波仍然是爱因斯坦理论中最后一个尚未被证实的部分。那是因为探测这些涟漪是一门超精密的科学。太阳和我们太阳系中的行星产生的波太弱,无法从地球接收到,因此科学家只能从遥远的超致密物体(如黑洞和被称为中子星的恒星残余物)的运动中接收到波。但是,即使是这些天体发出的巨**浪到达地球时仍会大大减弱,需要额外的灵敏仪器来探测。
LIGO在路易斯安那和华盛顿的两个观测站(利戈)
这就是LIGO进来的地方。这项合作是激光干涉仪引力波天文台的代表,在路易斯安那州和华盛顿州有两个设施,专门用来测量大型合并天体的引力波。每个天文台的形状都像一个大L,其“臂”是两个真空密封管,长2.5英里。每只手臂的末端都有一面镜子,尽量保持静止。这样一来,每当引力波经过时,一面镜子似乎离天文台越远,而另一面似乎越近。LIGO的科学家通过计时激光从每个反射镜上反弹所需的时间来测量这种运动。镜子不怎么动;它们的相对位置只改变了质子大小的万分之一。
利用这种方法,LIGO在2015年9月14日进行了第一次波浪探测,当时合作伙伴正开始寻找信号。之后,研究小组继续24小时不间断地观察,直到1月12日。起初,研究人员没想到观察会持续那么久,因为他们想在圣诞节前停止。”LIGO的合作者、麻省理工学院卡夫利研究所的高级研究科学家大卫·舒梅克说:“我们原本计划在假期前后停止跑步,给人们一个休息时间。”但我们询问了操作员和天文台的其他人员,他们是否可以留下来继续观察这台机器。”
LIGO测试镜(利格)
当科学家们在美国东部时间圣诞节深夜11点38分接到一个可能被发现的警报时,结果证明这是一个正确的决定。在利戈的观察过程中,研究人员运行了一系列计算机程序,不断寻找观测站数据中的模式。这些程序快速地将这些模式与数千个预先确定的重力波信号的模板进行比较。如果数据与模板匹配,则可能是一个波刚刚经过。”12月26日发生的事情是,其中一个模板与一些数据非常吻合。
研究人员渴望观察来自不同恒星残余物的波
现在LIGO已经测量到两个黑洞合并,研究人员渴望观察来自不同恒星残余物(如中子星)的波。这些都是大得多的恒星坍缩时留下的超致密的小恒星。还有一种可能是中子星与黑洞的合并。”斯科特说:“我们正在寻找许多其他类型的放射源,但我们还没有发现。”双星黑洞系统只是其中之一。”
但随着时间的推移,该团队预计,在今年秋季开始下一轮观测时,很快就会观察到更多黑洞合并。他们探测得越多,就越能了解黑洞有多大,以及整个宇宙有多少黑洞。”布朗说:“如果我们能了解黑洞的分布,我们就可以开始了解恒星的生死,这实际上是一个我们从哪里来,宇宙走向何方的问题。”因此,我们可以通过看到这些黑洞相互碰撞来描绘宇宙的历史和演化,这真是太酷了。”
一位艺术家描绘了一颗明亮的中子星(美国宇航局)
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