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打开新世界的大门——LIGO是如何运作的?迄今为止有哪些重大发现

2020/6/30 1:59:59 来源:原创 浏览:

激光干涉引力波天文台(简称:LIGO)如果能够检测到引力波将会意味着什么?

在过去的十多年来,一类新型的天文学在不知不觉中发展起来:引力波天文学。引力波检测器并不使用望远镜观测宇宙,而是使用激光,它们相互垂直发射和反射,然后在重组后重建以产生特定的干涉图样。

【展示了两个正在合并的黑洞及其它们如何改变相对论中出现的背景时空。】

这种设备——激光干涉仪引力波天文台(LIGO) 在2002年至2010年期间展示了其验证概念,然后在更新期间关闭了五年时间。通过升级版的激光干涉仪引力波天文台重新启用了该功能,在两天内,升级后的激光干涉仪引力波天文台合作项目将首次宣布重要消息,外界推测他们打算宣布对引力波的第一次直接探索。这到底意味着什么,让我们继续往下看吧!

这是一个以二元黑洞为核心的星系。图片来源:美国国家航空局,欧洲航空局,哈勃文化遗产(STScI / AURA)-ESA /哈勃合作组织和A. Evans (弗吉尼亚大学,夏洛茨维尔分校/ NRAO /石溪大学)。

当爱因斯坦的广义相对论被首次提出时,它与以往的时空概念截然不同。物质和能量并不是恒定不变的,相反,它们是相互依赖的:它们依赖彼此,并且会随时间变化。如果仅有一个单一的质量,并且在时空中静止(或在没有任何加速度的情况下移动),则时空不会改变。但是,如果添加第二个质量,则这两个质量将发生相对移动,产生相对速度,这将改变原有的时空结构。特别是,当一个巨大的粒子在重力场中移动时,广义相对论的性质意味着质量将得到加速,并产生一种新的辐射:引力辐射。

图片来源:欧洲南方天文台(ESO)/ L。Calçada,一个围绕双星伴星和引力波运行的脉冲星 结果造成的时空波动(或波动)。

当然,物质会以光速穿越太空,但物质本身就是太空结构中的一个涟漪。它把能量从加速的质量中带走,这意味着如果两个质量相互环绕,这个轨道会随着时间而衰减。正是这种引力辐射——在太空中引起涟漪的波——把能量带走了。对于像地球这样绕太阳公转的系统来说,它的质量(相对而言)很小,距离也很遥远,所以这个系统需要10^150年以上的时间或者宇宙现在年龄的很多很多倍才会衰弱(许多时候,理论上的数据甚至可能是寿命最长的恒星寿命的几倍)。但是对于黑洞和中子星来说,它们的轨道衰变已经能被观测到了。

图片来源:NASA(L),马克斯·普朗克射电天文研究所/迈克尔·卡墨(Michael Kramer)

我们怀疑那里甚至存在我们根本无法检测到的更强大的系统,例如黑洞相互融合并融合。这些应该会表现出特征信号,例如吸气阶段,合并阶段,然后是振铃阶段,所有这些都会导致激光干涉仪引力波天文台能够检测到的引力波产生。激光干涉仪引力波系统的工作方式非常先进,它利用了这些引力波的独特辐射。特别是,它们是如何引起时空响应的。

这些波纹通过在彼此垂直的方向上压缩然后扩展空间的方式存在,频率和强度取决于它们来是如何形成的、具有哪些特性。例如两个物体相互缠绕成螺旋状,它们之间的距离,以及它们与我们的距离。升级版的激光干涉仪引力波系统沿垂直于两个方向的轴向下发射两个具有相同频率/波长的相同频率/波长的激光,将它们从反射镜上反射多次(有效地将光程增加到数千公里),然后将它们重新组合在一起,它们在彼此之间形成干扰模式。


图片来源:公共领域/美国政府,有关激光干涉仪引力波天文台工作原理的示意图。

在正常情况下(没有引力波通过),这些路径长度相等,它们的干涉图像看起来也很正常。但是,倘若确实有引力波穿过,这种转变将会告诉我们这个系统各个部分的质量,它们之间相隔多远、我们之间又相隔多少距离。

我们建立了两个先进的激光干涉仪引力波系统:一个位于美国西北部(华盛顿),另一个位于美国东南部(路易斯安那州),而且如果两个探测器都看到相同的物体,我们将迎来第一个引力波!此版本的激光干涉仪引力波系统对位于一至几百个太阳质量之间的两个黑洞最敏感,这些黑洞合并需要数百万个光年:预计每年至少发生几次。

图片来源: 加州理工 / 麻省理工 / 激光干涉仪引力波天文台实验室

如果这次合作宣布了他们的第一次探测活动,他们将不仅为我们提供这些珍贵的信息,这更是对爱因斯坦广义相对论的一次全新的成功测试和验证引力波的第一次直接证据。高级激光干涉引力波天文台是迄今为止建造的最先进的引力波观测站,也是第一个能看到真实信号的观测站。有近1000名科学家参与了这个项目,这是为寻找引力波而设计的最大的出一次科学合作项目。如果一切如我们所推测的那样,一个天文学的新时代就要开始了。

安装升级版高级激光干涉仪引力波系统。图片提供:Chertech / MIT / LIGO实验室,由谢罗儿·沃维克(Cheryl Vorvik)拍摄。

我非常反对以谣言为根据来做科学研究-我对劳伦斯·克劳斯(Lawrence Krauss)去年毫无根据地开始散播这种谣言感到特别震惊-因为这应该由激光干涉仪引力波天文台团队来宣布。但是,如果他们发现了引力波,它将告诉世人:爱因斯坦的相对论是正确的,引力辐射是真实的,合并的黑洞不仅会产生引力波,而且这些波都可以被检测到。这是一种全新的天文学——不需要使用望远镜——而是一种全新的方式来查看黑洞、中子星和其他通常不可见的物体。我们可能会以前所未有的全新视角来观察和研究宇宙。

相关知识

黑洞是时空展现出引力的加速度极端强大,以至于没有粒子,甚至电磁辐射,像是光都无法逃逸的区域。广义相对论预测,足够紧密的质量可以扭曲时空,形成黑洞;不可能从该区域逃离的边界称为事件视界 。虽然,事件视界对穿越它的物体的命运和情况有巨大影响,但对该地区的观测似乎未能探测到任何特征。


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