引力波刷屏意义何在?中国科学家呼吁大众参与

2016年02月12日15:39  来源:人民网-科技频道
 

LIGO负责人、加州理工学院教授David Reitze宣布,LIGO发现了引力波。视频来源:LIGO新闻发布会直播

LIGO汉福德(H1,左) 和利文斯顿(L1,右) 探测器所观测到的GW150914引力波事件。该图展示了在两个LIGO探测器中观测到的由该事件产生的引力波“应变”(见下文)如何随时间(秒)和频率(赫兹)变化。两个图均显示了GW150914的频率在0.2秒内从35赫兹迅速增加到150赫兹。GW150914先到达L1,随后到达H1,前后相差千分之七秒,该时间差与光或者引力波在两个探测器之间传播的时间一致(版权:LSC/Virgo collaboration)

人民网北京2月12日电(记者 马丽)北京时间2016年2月11日23:40左右,激光干涉引力波天文台(LIGO)负责人、加州理工学院教授David Reitze宣布,LIGO发现了引力波。这一消息迅速成为昨晚到今天被科学界刷屏的“大新闻”。

【证实引力波有何科学意义?】

LIGO科学合作组织成员之一、德国马普引力物理所、清华大学博士后胡一鸣意味深长地表示,“人类首次直接探测引力波信号的那一年,恰恰是爱因斯坦发表广义相对论的一百周年整;而宣布这一探测的年份,又恰恰是爱因斯坦根据广义相对论推导得出引力波的一百周年。”

引力波的概念源于爱因斯坦的广义相对论,其中最重要的预言就是引力波的存在。根据广义相对论,引力是由于质量所引发的时空扭曲所造成,任何有质量的物体加速运动都会对周围的时空产生影响,其作用的形式就是引力波。虽然引力波无处不在,但是非常微弱,只有像超新星爆发、中子星与黑洞等天体相撞,才会产生足够强烈的引力波。

探测引力波不仅可以直接验证广义相对论中最重要的预言,还可以获得很多传统天文学手段无法获得的天体物理信息,研究暴涨和相变等极早物理过程,为人类开启观测宇宙的新窗口。

因此,世界科学界公认,引力波探测是难度最大的尖端科技之一,也是一项意义重大的物理学基础研究。作为爱因斯坦广义相对论中最重要但一直未被证实的预言,引力波是物理学王冠上最耀眼的一颗明珠,如果探测成功,将是人类认知史上具有里程碑意义的科学发现。

“在广义相对论提出之后一个世纪,它的几个重要预言意义得到了认证。即使在黑洞并合这样极强的引力场条件下,观测得到的引力波演化也和广义相对论的预言高度吻合。在现代物理学里,很少能看到这样一个理论经历百年风雨依然屹立不倒了。”胡一鸣说。

当一列线性偏振的引力波向你迎面走来时,你周围的时空会不断压缩——拉伸——压缩——拉伸,循环往复(图片版权:马普引力所)

【各国争相探测】

此前,世界发达国家都在推进引力波的探测。21世纪初,美国、意大利、法国和日本等多个国家都建立了千米级的地面激光干涉仪引力波探测设施。

清华大学LSC研究团队由清华大学信息技术研究院研究员,清华大学天体物理中心兼职研究员,LSC理事会成员曹军威负责,研究团队还包括清华大学计算机系副教授都志辉和王小鸽等成员参与了该项目。

然而,由于引力波非常微弱,此前人类还未能直接探测到引力波。

此外,因为地面引力波探测设施会受到地面震动噪声、热噪声、引力梯度噪声等噪声的影响,探测器臂长也非常有限,因此更为微弱的低频引力波(频率10-4~10-1Hz)需要空间干涉仪进行观测。2015年12月发射的“LISA探路者”卫星正是欧洲航天局响应空间激光干涉仪的需求而设定的技术试验任务。

“今后将在太空测引力波。”庞之浩说。

通过比较由数据重构的引力波应变(以在汉福德的H1探测器所接收的应变为例)和由广义相对论计算得出的在旋进、并合和铃宕三个过程的最佳匹配波形,得出的关于GW150914的一些关键结论。图片下方展示了两个黑洞的间距和相对速度随时间演化的过程。(版权:LSC/Virgo collaboration)

【中国70年代即试图探索】

据媒体报道,早在上世纪70年代,引力波探测这一被诺贝尔奖获得者杨振宁称为“投钱少,有重大科学意义”的研究领域,就曾经在中国引起过热议。但中国的研究从1998年起中断十余年。

2008年,在中科院力学所国家微重力实验室胡文瑞院士的推动下,中科院多个研究所及院外科研单位共同成立了科学院空间引力波探测工作组,开始探索中国空间引力波探测的可行性。这一项目被列入中科院空间科学2050年规划。在2011年前的一次香山科学会议上,与会的专家认为,探测引力波工程,将可以催生不是一个,而是一批诺贝尔奖。

去年7月,中山大学透露其“天琴计划”。根据设想,“天琴计划”主要将分四阶段实施:第一阶段完成月球/卫星激光测距系统、大型激光陀螺仪等天琴计划地面辅助设施;第二阶段完成无拖曳控制、星载激光干涉仪等关键技术验证,以及空间等效原理实验检验;第三阶段完成高精度惯性传感、星间激光测距等关键技术验证,以及全球重力场测量;第四阶段完成所有空间引力波探测所需的关键技术,发射三颗地球高轨卫星进行引力波探测。

中科院也有引力波计划。据专家在2016年第1期《国际太空》透露,中国空间科学家已提出了至2030年我国空间科学的一些相关计划和任务建议。

其中“黑洞探针”计划就用于回答几个重要的关于宇宙组成和演化的前沿科学问题。例如,黑洞等极端和致密天体的性质是什么?黑洞等极端和致密天体是如何和它们周围的环境相互作用的?该计划包括的项目建议为:“硬X射线调制望远镜”、“空间变源监视器”和将搭载在天宫2号空间实验室上的“伽玛暴偏振探测项目”,其中“硬X射线调制望远镜”和“伽玛暴偏振探测项目”计划于今年升空。

另有“天体号脉”计划旨在对天体各种波段的电磁波和非电磁波辐射进行高测光精度和高定时精度的探测,理解各种天体的内部结构和各种剧烈活动过程。该计划包括的项目建议为:“X射线时变与偏振卫星”、“爱因斯坦探针卫星”、“中国引力波计划”和拟在我国空间站上实施的“中子星极端天体物理和新技术探索任务”。

“天体肖像”计划则用于获得太阳系外的恒星、行星、白矮星、中子星、黑洞等天体的直接照片,星系中心、恒星形成区、超新星遗迹、喷流等结构的高清晰度照片,开展各个波段的深度成像巡天,以及绘制各个波段宇宙背景辐射的高精度天图,对理解宇宙的构成等科学问题起重要关键作用。该计划包括的项目建议为“空间毫米波VLBI 阵”和“空间甚低频射电天文台”。

此外还有“天体光谱”计划、“系外行星探测”计划、“太阳显微”计划、“太阳全景”计划、“链锁”计划、“微星”计划、“探天”计划、“火星探测”计划、“小行星探测”、“木星系统探测”计划、“水循环探测”计划、“能量循环探测”计划、“生物化学循环探测”计划、“轻盈”计划、“轻飏”计划、“空间基础物理”计划、“腾云”计划、“载人航天工程”科学计划等。

对双星并合信号的搜索,定量地显示了同噪声起伏产生的背景相比,GW150914是多么地罕见。这一搜索可以断定由噪声伪装成GW50914是极端罕见的——少于每两万年一次——这一数值等同于高于五倍标准差的探测显著性。

【中国科学家呼吁大众参与】

“一个世界的长跑接力抵达了终点,但是一个新的时代,才刚刚悄然开启。”胡一鸣表示,作为一个普通的科研工作者,有幸出生在这个时代,见证这一伟大的历史性突破,更重要的是亲身参与进这样的历史进程,“我感到三生有幸”。同时他呼吁大众参与,“哪怕你不是物理学家,一样可以为搜索引力波做贡献!”

据了解,引力波的种类有很多,LIGO的科学目的除了探测来自致密双星并合的信号外,也会搜索来自银河系内的中子星的连续信号。这个搜索由于需要大量计算资源,哪怕用上LIGO自己的超级计算机也不够,所以常年征求志愿者贡献CPU时间,只需要登录http://www.einsteinathome.org/,公众就可以下载Einstein@Home的程序,用自己个人电脑的闲暇时间的空余CPU,处理来自LIGO的数据,搜索“时空的涟漪”。

高新LIGO探测器简化示意图(未按比例显示),对基本设计的主要改进包括:一个光学谐振腔,使激光在单臂中来回反射多次,以加强引力波在激光相位上产生的影响;一个功率循环镜,将干涉仪中的激光功率大幅提高;一个信号循环镜,进一步优化从光电探测器中提取的信号。这些改进使得激光功率在光学谐振腔中增强了5000倍,并且延长了信号在干涉仪中循环的时间。图(a) 显示了两个LIGO探测器的地理位置和方位,以及光在它们之间传播所需的时间。图(b) 展示了在GW150914事件前后两个探测器中仪器噪声与频率的关系。仪器噪声越低,探测器对引力波的灵敏度越高。图中的尖峰表示该窄带频率处有很强的仪器噪声。(版权:LSC/Virgo Collaboratiom)

   【相关链接:科学家对“引力波”的相关评论】:    

   “爱因斯坦当初认为引力波太过微弱而无法探测,并且他从未相信过黑洞的存在。不过,我想他并不介意自己在这些问题上弄错了。”——马克斯·普朗克引力物理研究所(阿尔伯特·爱因斯坦研究所)所长艾伦(Bruce Allen)

    “通过这项发现,我们人类开启了一场波澜壮阔的新旅程:一场对于探索宇宙那弯曲的一面(从弯曲时空而产生的事物和现象)的旅程。黑洞的碰撞和引力波的观测正是这个旅程中第一个完美的范例。”——索恩(Kip Thorne)

    “引力波的直接探测实现了50年前就设定好了的伟大目标:直接探测难以捕捉的事物,更好地理解宇宙,以及,在爱因斯坦广义相对论100周年之际完美地续写爱因斯坦的传奇。” ——加州理工学院,LIGO天文台的执行官莱兹(David H. Reitze)

   “这项探测是一个是时代的开始:引力波天文学研究领域现在终于不再是纸上谈兵。”——LSC发言人,路易斯安那州立大学物理与天文学教授冈萨雷斯(Gabriela González)

   “在《星际穿越》和《三体》中,都不约而同地将引力波选为了未来科技发达的人类的通讯手段,这也许只能是美好的幻想,但对于天文研究而言,引力波的确开启了一扇新的窗口。吹进来的第一缕清风,就带来了一个重大的信息:极重的恒星级双黑洞系统存在并可以在足够短的时间(10亿年)内并合。这是让我们始料未及的。谁能知道在将来的更多的探测中,LIGO和一众引力波探测器能带给我们什么样的惊喜呢?” ——马克斯·普朗克引力物理研究所、清华大学博士后,胡一鸣

    “不少亲朋好友问过我,你在研究些什么。我都这么回答:我们在找另一种光,一旦找到,意味着人类从此有了第六感,就像有了超能力,用一双天眼饱览神秘宇宙中无尽的奥妙。现在,我们,找到了!” ——马克斯·普朗克引力物理研究所博士生,明镜(此部分内容来源微信公号“赛先生”)

 

(责编:杨磊、赵竹青)

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