可以用“眼睛”捕捉引力波?

作者:乘凉来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-09-19

引力波的世界已经被撬开了一道裂缝。
      根据《自然》杂志报道,天体物理学家在8月中旬可能探测到了新引力波。一名来自德克萨斯大学的天体物理学家J•克雷格•惠勒也发表了一系列推文说到,该引力波与以往发现的不同,这次探测到的信号是存在光学对应体的!这也就意味着若情况属实,它将是由两个中子星合并产生的,而不单单是由黑洞碰撞产生的。它会发出可见光,我们可以亲自“看”见它。若得到确认,那将会说明:引力波既能被传统望远镜“看到”,也能作为时空结构中的振动被听到。
 
重温引力波
      引力波最早由爱因斯坦于1918年提出,此后不断有人去寻找或验证它的存在。然而百年内的屡次探测却不得而终,从而成为了人们的心结所在。自2015年LIGO团队第一次发现引力波起,接近两年的时间我们接连发现了三次引力波事件,且几次发现的引力波都是由黑洞碰撞产生的。

图一:爱因斯坦在黑板上进行演算(图片来自于网络)

图一:爱因斯坦在黑板上进行演算(图片来自于网络)

 
      我们先复习一下爱因斯坦的广义相对论。相对论说,我们所处的时空会因为该时空物质质量大小而发生变化。显著点的,质量极大的黑洞就会对其周边产生显著影响,让其时间相对变慢。若物质是静止的,那么它对周边时空产生的影响就是恒定的,但它要是运动起来,它对周边时空产生的影响就处在不断地变动中了。
 

图二:大质量物体引起时空弯曲(图片来源于视觉中国)

图二:大质量物体引起时空弯曲(图片来源于视觉中国)

      我们知道,变化的电场或磁场能够产生引力波,同样,变化的引力也能产生引力波。好比在湖面上有条静止的船,此时湖面不会有任何变化,一旦船开动起来,它就会在周边产生阵阵涟漪,因而我们又称引力波为“时空的涟漪”。
 
事件缘起
      早在8月18日,天文学家维勒在网上发文称:“LIGO惊人新发现,来自光学对应体。”随后一小时内有学者称该信号是由位于NGC4993星系的中子星产生。此时的天文圈内的传闻也沸沸扬扬。此前LIGO就与欧洲VIRGO引力波探测器进行了合作,通过这些最新的谣言可以嗅探到合作已经得到了回报。
      LIGO此前三次探测到的引力波都由黑洞合并产生,但这类引力波能量太大,在可见光波段无法观测,只可用望远镜连接设备“听”到引力波的振动。而中子星相对黑洞质量要小些,合并产生的引力波会更加微弱,频率将会在可见光范围附近。因此,不自满的研究人员希望更进一步,能够探测到中子星的碰撞。

图三:LIGO观测站(图片来源于LIGO官网)

图三:LIGO观测站(图片来源于LIGO官网)

 

      传闻四起后,多台望远镜纷纷上阵,开始对NGC4993星系进行“地毯式扫描”,希望也能捕获到中子星碰撞产生的引力波信号。NASA官网在8月19日曾公布了一系列观测记录,指出在该星系观测到被称为伽马射线暴(GRB)的事件,或许揭示了中子星合并而产生的引力波事件。哈勃望远镜还开通了NGC4993星系的直播画面,表明研究团队正在用望远镜上的光谱仪观测中子星的合并过程,但谨慎的哈勃官方随后删除了内容。

图四:中子星合并(图片来源于科技日报)

图四:中子星合并(图片来源于科技日报)

 

      天文学家们对他们所研究的还是很谨慎的,不会动不动就搞一个“震惊”。LIGO和Virgo目前已经结束对相关数据的新一轮分析,但为了确信这次发现不是孤证,还需要探究更多的“潜在事件”。所以,我们要能做的,就是耐心去等待后续的报道。
 
意义何在?
      中子星是大质量恒星在耗尽燃料之后爆炸的产物。中子星本身可以被认为是一个宏原子,大质量的原子核仅由中子组成,被困在强引力场中,高速旋转,通常具有强大的星际磁场。然而,关于中子星物理学领域依然还存在许多未解之谜,一个主要问题就是中子星是否符合人们的理论设想,还是这些中子星被彻底摧毁了,得用其他量子理论来解释?
      迄今为止,科学家们都是以低温状态模拟中子星物质,对其内部结构还有许多地方不清楚。但如果我们真的探测到了中子星合并产生的引力波,我们就会知道他们碰撞会产生什么现象。我们迫切希望通过两颗中子星合并或中子星与黑洞合并所产生的引力波来揭示中子星的构造,从而使研究者们推断出恒星组成物质状态的方程式。

图五:中子星艺术图(图片来源于百度)

图五:中子星艺术图(图片来源于网络)

 

      另外,如果证实发现新型引力波,那么将标志着天文学研究进入了新时代。在这个新时代,随着时空结构的振动,传统望远镜不仅能“看到”同时还能“听到”所观测的天文现象。伊利诺伊大学香槟分校的天体物理学家斯图亚特•沙皮罗表示:“这是一项不可思议的进步,将大大加深我们对宇宙的认知。”

图六:星系艺术图(图片来源于百度)

图六:星系艺术图(图片来源于网络)

 

      如同一个天生又聋又哑的盲人,突然有一天我们的听力恢复了,我们可以听到这世界的鸟叫蝉鸣,然后我们又希冀着能够亲自看到它们。很幸运,我们的眼睛能睁开了,我们可以享受到世界的姹紫嫣红,那兴奋欣喜之情可想而知。
 
      现在,引力波的世界已经被撬开了一道裂缝,春天的种子已经播撒,相信硕果累累的大丰收离我们也不远了!
 
参考文献
【1】 Rumours swell over new kind of gravitational-wave sighting,自然杂志http://www.nature.com/news/rumours-swell-over-new-kind-of-gravitational-wave-sighting-1.22482?from=timeline&isappinstalled=0
【2】 LIGO或首次“看”到引力波,科技日报http://www.stdaily.com/kjrb/kjrbbm/2017-08/29/content_572498.shtml
【3】 引力波, 我们了解宇宙的“顺风耳”,搜狐,http://www.sohu.com/a/168415739_656456
【4】 徐峰, 岳友岭, 徐仁新. 脉冲星、中子星与夸克星[J]. 自然杂志, 2007, 29(4):200-203.

扫码加蝌蚪五线谱微信