【第一次探测到引力波】人类第一次直接探测到双中子星合并引力波

2019-11-25 - 引力波

北京时间2017年10月16日22时,全球多国科学家同步举行新闻发布会,宣布人类第一次直接探测到来自双中子星合并的引力波,首次窥见引力波源头的奥秘。我国包括南极巡天望远镜AST3-2、国内第一颗空间X射线天文卫星慧眼望远镜在内的多台设备参与观测引力波事件,我国科研人员还借助引力波光谱解开了宇宙中金、银等超铁元素的产生之谜。

第一次探测到引力波

引力波事件一出,迅速霸占了各个社交媒体头条,到底什么是引力波?引力波的发现又有什么意义呢?

100多年前,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在,并将其称为“时空的涟漪”。在爱因斯坦的广义相对论中,引力被认为是时空弯曲的一种效应。这种弯曲是因为质量的存在而导致。通常而言,在一个给定的体积内,包含的质量越大,那么在这个体积边界处所导致的时空曲率也越大。在某些特定环境之下,加速物体能够对这个曲率产生变化,并且能够以波的形式向外以光速传播。这种传播现象被称之为引力波。

第一次探测到引力波

虽然引力波在100多年前就被提出,但是直到2015年,引力波才第一次被发现。2016年2月12日,大洋彼岸传来振奋人心的消息:激光干涉引力波天文台(LIGO)合作组宣布,他们于2015年9月14日探测到了引力波,它来自一个36倍太阳质量的黑洞与一个29倍太阳质量的黑洞的碰撞。

第一次探测到引力波

这两个黑洞碰撞后并合为一个62倍太阳质量的黑洞,失去的3倍太阳质量以引力波的形式释放出来,被LIGO捕捉到。随后,2015年12月26日、2017年1月4日、2017年8月14日,LIGO又先后三次探测到黑洞并合产生的引力波,其中最后一次是位于美国华盛顿和路易斯安娜的LIGO引力波天文台,以及位于意大利的处女座引力波天文台,首次共同探测到引力波。

2017年8月17日,北京时间20时41分,美国激光干涉引力波天文台捕捉到这个引力波信号。此后2秒,美国费米太空望远镜观测到同一来源发出的伽马射线暴。这是人类历史上第一次使用引力波天文台和电磁波望远镜同时观测到同一个天体物理事件。

科学家在美国华盛顿发布这一重大发现时,中国、德国、英国和法国等国科学家也各自发布这项讯息。当引力波事件发生时,全球仅有4台X射线和伽马射线望远镜成功监测到爆发天区,我国的“慧眼”望远镜就是其中之一。

因为引力波的发现,瑞典当地时间10月3日上午11点50分,诺贝尔物理学奖评委会委员、瑞典皇家科学院秘书长约兰·汉森宣布,将2017年诺贝尔物理学奖授予3位美国物理学家雷纳·韦斯 、巴里·巴里什、基普·索恩,以表彰他们对引力波探测器LIGO的决定性贡献及其对引力波的观察。

LIGO项目集纳了全球多地1000多名科学家的努力,而这三名获奖者发挥了至关重要的作用。韦斯在约40年前提出了探测引力波的方法,巴里什和索恩也在科学和管理等方面有巨大贡献。

对于引力波的探测,我国也相当重视。目前,我国主要有三个大型引力波探测项目,一个是由中科院胡文瑞院士和吴岳良院士为首席科学家的太极计划,它非常类似于欧洲eLISA计划。另外一个太空计划是由中山大学罗俊院士领衔的“天琴计划”,相比较太极,它将位于地球之上的10万公里轨道处,三个卫星的间距也是大约在10万公里之上。

第三个是由中科院高能物理研究所主导的“阿里实验计划”,阿里实验计划是计划在我国西藏的阿里地区放置一个小型但具有大视场的射电望远镜,从地面上聆听原初引力波的音符。

引力波的发现提供了黑洞存在的第一个直接证据,即它们可以以成对的形式存在,而这些成对存在的黑洞可以碰撞和合并,并在这一过程中以引力波的形式释放大量能量,这与广义相对论的预测惊人地一致。当然探测引力波并不仅仅是为了证实广义相对论。

通过引力波,我们以一种全新的视角观察宇宙,引力波的探测将有助于我们了解宇宙中情况最为极端的角落,及黑洞的视界、超新星的最深处、中子星的内部结构等这些常规望远镜完全无法接近的区域。相信不久的将来,随着引力波探测的深入,我们将探寻到更多宇宙的奥秘。

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在物理学中,引力波是指时空弯曲中的涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播,这种波以引力辐射的形式传输能量。在1916年,爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。引力波的存在是广义相对论洛伦兹不变性的结果,因为它引入了相互作用的传播速度有限的概念。相比之下,引力波不能够存在于牛顿的经典引力理论当中,因为牛顿的经典理论假设物质的相互作用传播是速度无限的。

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