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人类首次直接探测到了引力波

webmaster 2016-2-12 19:493313 人围观 原作者: webmaster

简介 :【腾讯太空 乔辉 2016年2月11日报道】美国当地时间2月11日上午10点30分(北京时间2月11日23点30分),美国国家科学基金会(NSF)召集了来自加州理工学院、麻省理工学院以及LIGO科学合作组织的科学家在华盛顿特区国家 ...
       【腾讯太空 乔辉 2016年2月11日报道】美国当地时间2月11日上午10点30分(北京时间2月11日23点30分),美国国家科学基金会(NSF)召集了来自加州理工学院、麻省理工学院以及LIGO科学合作组织的科学家在华盛顿特区国家媒体中心宣布:人类首次直接探测到了引力波!
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科学家为直接探测到引力波的消息欢呼(从左到右分别为:Gabriela Gonzalez, Rainer Weiss和Kip Thorne)

这次探测到的引力波是由13亿光年之外的两颗黑洞在合并的最后阶段产生的。两颗黑洞的初始质量分别为29颗太阳和36颗太阳,合并成了一颗62倍太阳质量高速旋转的黑洞,亏损的质量以强大引力波的形式释放到宇宙空间,经过13亿年的漫长旅行,终于抵达了地球,被美国的“激光干涉引力波天文台”(LIGO)的两台孪生引力波探测器探测到。

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两台探测器记录到的波形

探测到的引力波信号初始频率为35赫兹,接着迅速提升到了250赫兹,最后变得无序而消失,整个过程持续了仅四分之一秒。位于利文斯顿的探测器比位于汉福德的探测器早探测到7毫秒,这个时间差表明引力波是从南部天区传来。

什么是引力波?

在物理学上,引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动,如同石头丢进水里产生的波纹一样,引力波被视为宇宙中的“时空涟漪”。通常引力波的产生非常困难,地球围绕太阳以每秒30千米的速度前进,发出的引力波功率仅为200瓦,还不如家用电饭煲功率大。宇宙中大质量天体的加速、碰撞和合并等事件才可以形成强大的引力波,但能产生这种较强引力波的波源距离地球都十分遥远,传播到地球时变得非常微弱。

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根据广义相对论,该双星系统会以引力波的形式损失能量,轨道周期每年缩短76.5微秒

1974年物理学家约瑟夫·泰勒(Joseph Hooton Taylor, Jr)和拉塞尔·赫尔斯(Russell Alan Hulse)发现了一颗编号为PSR B1913+16的脉冲星,他们发现该脉冲星处于双星系统中,其伴星也是一颗中子星。根据广义相对论,该双星系统会以引力波的形式损失能量,轨道周期每年缩短76.5微秒,轨道半长轴每年减少3.5米,预计大约经过3亿年后发生合并。

自1974年,泰勒和赫尔斯和对这个双星系统的轨道进行了长时间的观测,观测值和广义相对论预言的数值符合得非常好,这间接证明了引力波的存在。泰勒和赫尔斯也因这项工作于1993年荣获诺贝尔物理学奖。

共振型引力波探测器

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韦伯教授在调试他的引力波探测器(1965年)

上世纪60年代,马里兰大学的物理学家韦伯(Joseph Weber)首先提出了一种共振型引力波探测器。该探测器由多层铝筒构成,直径1米,长2米,质量约1000千克,用细丝悬挂起来。当引力波经过圆柱时,圆柱会发生共振,进而可以通过安装在圆柱周围的压电传感器检测到。韦伯曾经在相距1000千米的两个地方同时放置了相同的探测器,只有两个探测器同时检测到相同的信号才被记录下来。1968年,韦伯宣称他探测到了引力波,立刻引起了学界的轰动,但是后来的重复实验都一无所获。

激光干涉引力波探测器

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两台孪生引力波探测器分别在华盛顿州的汉福德(左)和路易斯安那州的列文斯顿,彼此相距3000公里

上世纪70年代,加州理工学院的物理学家莱纳·魏斯(Rainer Weiss)等人意识到用激光干涉方法探测引力波的可能性。引力波的探测对仪器的灵敏度要求非常高,要能够在1000米的距离上感知10^-18米的变化,相当于质子直径的千分之一。直到上世纪90年代,如此高灵敏度所需的技术条件才逐渐趋于成熟。

1991年,麻省理工学院与加州理工学院在美国国家科学基金会(NSF)的资助下,开始联合建设“激光干涉引力波天文台”(LIGO)。LIGO的主要部分是两个互相垂直的干涉臂,臂长均为4000米。在两臂交会处,从激光光源发出的光束被一分为二,分别进入互相垂直并保持超真空状态的两空心圆柱体内,然后被终端的镜面反射回原出发点,并在那里发生干涉。若有引力波通过,便会引起时空变形,一臂的长度会略为变长而另一臂的长度则略为缩短,这样就会造成光程差发生变化,因此激光干涉条纹就会发生相应的变化。

两台孪生引力波探测器分别在华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的列文斯顿,彼此相距3000千米。只有当两个探测器同时检测到相同的信号才有可能是引力波。LIGO于1999年初步建成,2002年开始运行。

2007年,LIGO进行了一次升级改造,包括采用更高功率的激光器、进一步减少振动等。升级后的LIGO被称为“增强LIGO”。2009年7月,增强LIGO开始运行直到2010年10月结束。

在2002年到2010年期间,LIGO没能探测到引力波存在的可靠证据。

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位于汉福德地区的LIGO观测站的北臂

2010年,LIGO进行了为期五年的重大升级改造,改造之后的探测器灵敏度要求提高10倍,被称为“先进LIGO”。2015年9月18日,先进LIGO开始试运行。据悉,本次探测到的引力波是升级前的LIGO于2015年9月14日探测到的信号。

目前主流的引力波探测器都是这种基于迈克耳孙干涉仪的原理。世界范围内,除了美国的LIGO引力波探测器之外,还有德国和英国合作的GEO600、法国和意大利合作的VIRGO、日本的TAMA300以及计划中的LCGT、澳大利亚计划中的AIGO以及印度计划中的LIGO-India。

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PTA、LISA(eLISA)与LIGO(aLIGO)三种方式分别探测不同频率的引力波,构成互补关系。

地基探测器探测引力波的频率范围是1赫兹~10^4赫兹。除了地基引力波探测器之外,科学家也在积极筹备“激光干涉太空引力波天线”(LISA/ eLISA)。理论上,eLISA探测引力波频率范围为10^-5赫兹~1赫兹。

值得一提的是,科学家也在利用一种叫“脉冲星计时阵列”(PTA)的射电天文方法探测更低频率(纳赫兹)的引力波。PTA与eLISA、LIGO在探测频率上形成互补关系。

引力波探测的意义?

引力波天文学将是继传统电磁波天文学、宇宙线天文学和中微子天文学之后,人类认识宇宙的全新窗口,必将引发一场天文学的革命。

引力波探测除了能够检验广义相对论之外,还有助于证明其它版本的引力理论正确与否,还将推动引力量子化的研究,最终把引力融入其它三种基本相互作用,完成爱因斯坦的伟大梦想。

引力波像其它的波一样,携带着能量和信息。电磁波(宇宙背景微波辐射)只能让我们看到大爆炸38万年之后的景象,而引力波能够让我们回望宇宙大爆炸最初瞬间,检验宇宙大爆炸理论的正确与否。


[责任编辑:quarkqiao](本站转自腾讯太空)



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已有12条评论

查看全部评论 >>

  • 外国人就是不切实际,很想知道他们有没有时空穿越的时间表?
    2016-2-13 16:27 引用

    “引力波”这一词是从英文翻译过来的。英文的正宗专业词是gravitational wave。另一与之很相近的一个更普遍的词是gravity wave。这一词的中文翻译是“重力波”。地球上的流体(如空气、水、等等)在地球重力的作用下,其运动时就也会伴随有重力波的存在或产生。关于“重力波”的研究是大气、海洋这类地球流体力学专业很重要、普遍的研究课题。

    汉语中的绝大多数现代科学术语其实都是来自日语的外来语。象“物理”、“化学”、“重力”就是来自日语的外来语。不过这“引力波”确实应该是汉语独特的翻译。在日语中gravitational wave也同被翻译成了“重力波”。也正是如此原因,一些(日本)天体物理学家在同地球物理学家交流时(如学术报告会上的提问等等)常常会问如下类的问题:你那观测重力波的仪器有多大?你那么小的仪器真能测得重力波吗?

    一楼的介绍中提到:“上世纪60年代,马里兰大学的物理学家韦伯(Joseph Weber)首先提出了一种共振型引力波探测器。该探测器。。。。。。。”。假如我没记错的话,上世纪70年代有一本从英文翻译成中文关于天体物理的科普书(黄色封面),其作者就是韦伯。当时是文革混乱时期,科普书、科技书极少、极少。韦伯的那本书我也买了,从那本书中我知道了“引力波”。后来在同日本同行聊起上面关于“重力波”的闲话时,我就非常肯定地说明汉语中“重力波”同“引力波”的区别。



    2016-2-13 22:29 引用
    本帖最后由 coolboy 于 2016-2-13 23:20 编辑

    在网上查了一下,查到了我上面所提及的相关图书:

    Weber, J., 1961: General Relativity and Gravitational Waves. Interscience Publishers, Inc., New York, 200 pp.
    J•韦伯 (陈凤至、张大卫译), 1977: 《广义相对论与引力波》, 科学出版社.



    2016-2-13 23:19 引用
    引力波问题有点隔行如隔山,比如引力波作用在LIGO观测台上时空发生变化,一个方向的尺度缩短,与之垂直方向上的尺度延长,与此同时穿行在时空中的光波是否不变,进而能感受到时空的尺度变化?如果确实如此,则可以测量到时空尺度的变化,这个试验就是成功的,同时是否也表明在时空中穿行的光波是一个绝对的存在,以至于时空变化都无法使之产生红移等频率变化的情况?
    2016-2-14 21:15 引用
    本帖最后由 uesoft 于 2016-2-15 11:01 编辑

    LIGO是根据特定频率的电磁振荡来测定引力波,它的关键技术原理与无线通讯技术相同,即LNA低噪声放大器和FILTER滤波器或选频网络。LIGO目前是由3部分系统组成的:第一部分是第一级检波放大器由两个互相垂直的激光干涉检波放大器组成,这是最核心的高精度低噪声引力波放大器,它的噪声和滤波频段决定了所能探测的引力波频段。第2部分是检测干涉条纹移动的低噪声检波放大电路,这一级电路噪声越低越好,频段越宽越好。第3部分是把3000km远的两个探测设备联网数据处理,类似于手机cdma把两个相似信号识别出来从而决定这个人的手机信号位置,这次解读出来的信号位置是在13亿光年的两个黑洞碰撞位置。

    这次探测到引力波的波段是1-10khz。新浪采访了一个google程序员是个中国人他以前在斯坦福大学读博士就是研究把下限频率从1hz降到0.1hz。他们的代码据说已经实现了0.1hz,但0.1hz代码似乎在2015年9月18日才开始升级运行,而本次获得的2015.09.14的振动信号探测器似乎属于1hz以上波段仍然是以前代码。

    以上是我个人见解,不当之处请批评指正。



    2016-2-15 10:27 引用
    对于引力和波粒二象性我是有自己的理解的,电磁波其实就是力传递的波特性的一种体现,但这些都无关紧要,我感兴趣的是他们怎么区分出的那组信号有13亿光年?
    2016-2-15 16:49 引用
    本帖最后由 uesoft 于 2016-2-16 22:04 编辑

    定位算法有很多,用来定位的电磁波频率从低到高有:次声波、声波、超声波、长波、中波、短波、微波、太hz、红外、可见光、紫外线、X线、gama线、高能射线...。虽然传感器频率不同,但数学处理算法基本是相同的。天文级别的引力波定位计算算法现在都需要大规模并行计算或FPGA高速芯片,计算时间很长,象这次从2015.09.14-2016.02.11共150天,不知道出动多少并行计算机,据说团队分布在世界各地有1k人。如果是手机信号定位人,需要很短的时间。

    ---------------------------------------------------------
    "http://tieba.baidu.com/p/4351680754
    新京报:为何引力波信号被探测到半年才得到确认,中间经过了哪些过程?
      胡一鸣:去年9月14日引力波信号到达后3分钟,就被程序发现,但是因为那个时候还没有正式开始观测,等大家回过神来发现这次探测时,已经是半小时以后了。尽管如此,我们内部恪守规则,在没有万分的把握之前,严禁任何成员向任何组织外的个人透露消息。
      LIGO科学合作组织非常的严谨。只有当你握有强有力的证据,你才可以做出超出常人想象的论断。此次我们所公布的每一句话,每一个数字,背后都是大量的讨论以及反复的计算和确认。可以说是两句三年得,一吟双泪流。"

    2016-2-15 21:39 引用
    uesoft 发表于 2016-2-15 21:39
    定位算法有很多,用来定位的电磁波频率从低到高有:次声波、声波、超声波、长波、中波、短波、微波、太hz、 ...


    我很感兴趣的是他们的算法如何定位那组信号是来自13亿光年地方的?就像外太空突然来了颗陨石,他们是凭什么说它来自13亿光年地方的?

    2016-2-15 23:25 引用
    coolboy 发表于 2016-2-14 00:29
    “引力波”这一词是从英文翻译过来的。英文的正宗专业词是gravitational wave。另一与之很相近的一个更普 ...

    我第一反应是重力波,然后看了才知道引力波,落伍了!
    2016-2-16 06:03 引用
    http://player.youku.com/player.php/sid/XMTQ2OTk4OTMzMg/v.swf

    霍金庆祝引力波被发现 Prof Stephen Hawking Celebrates Gravitational Wave Discovery 自此我们拥有了全新的方式和角度去看待宇宙

    2016-2-18 22:06 引用
    http://tech.qq.com/a/20160217/026184.htm


    “发现引力波”背后最完整的内幕故事
    机器之心2016年02月17日10:56

    1

    十几亿年前,距离这里有数百万个河外星系之外,两个黑洞发生了碰撞。它们彼此围绕旋转了亿万年,好像是求爱的舞蹈,每一圈后都在加速,呼啸着靠近对方。到了它们间距只有几百英里的时候,它们几乎以光速旋转,释放出强大的引力能量。时间和空间被扭曲,像是壶里面煮沸的水一样。在不到一秒钟的分毫瞬间里,两个黑洞终于合并为一,它们辐射出比全宇宙的恒星辐射出还多几百倍的能量。它们生成了一个新的黑洞,质量约62个我们的太阳一般,面积几乎和缅因州一样。在它(新黑洞)平静下来的过程中,逐渐形成一个扁平的球状,最后的几缕颤抖的能量逃离出去。然后时间和空间再次寂静了。

    黑洞碰撞产生的引力波向四周传播,旅途中随着距离衰减。在地球上,恐龙崛起,演化,消亡。引力波继续前进,大概五万年前,引力波到达了我们的银河系,正当智人开始取代其近亲尼安德特人开始成为地球上最主要的人猿。100年前,爱因斯坦,灵长类物种中进化的最先进的人类的一员,预言了引力波的存在,激发了数十年的猜测和无果的寻找。20年前,一个巨大的探测器开始建设:the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO)。终于,在2015年的9月14号,在中午11点(中欧时间)前,引力波到达了地球。Marco Drago,一位32岁的意大利籍博士后学生,全球LIGO科学合作组织的成员,成为第一个注意到它们的人。Marco当时坐在位于德国Hannover阿尔伯特 爱因斯坦研究所他自己的电脑前,远程观看LIGO的数据。引力波出现在他的屏幕上,就像一个被压缩了的曲线,不过LIGO装置着全宇宙最精致的耳朵,可以听到千亿分之一英尺的振动,应该仿佛听到了被天文学家称为「蛐蛐叫」的声音 —— 一声微弱的由低到高的呼叫。一年之后,在华府的新闻发布会上,LIGO团队正式宣布那个信号即为历史上第一个直接观测到的引力波。

    视频说明:两个黑洞的碰撞看上去,听上去会是怎样的?

    当Drago看到信号时,他惊呆了。「当时很难决定该做什么,」他后来告诉我。他通知了一个同事,同事冷静的通知了位于Livingston,路易斯安那州的LIGO控制中心。消息开始在上千个参与这个项目的科学家中传播开来。在加州,David Reitze,LIGO实验室的执行总监,刚送走了女儿去学校,来到了他的加州理工办公室,马上就被各种消息淹没了。「我不记得当时具体说了什么了,」他告诉我说。「大致的反应是,『天哪,这是个什么东西?』」。Vicky Kalogera,西北大学的物理与天文学教授,当时开了一天的会,直到晚餐时才听到消息。「我老公请我把餐桌布置好,」她说,「可是我完全不理他,只顾着浏览一大堆古怪的电子邮件并自问,到底发生了什么事?」Rainer Weiss,已经83岁高龄物理学家,是早在1972年LIGO项目的最初提出者,当时正在缅因州度假。他登陆到系统上,看到了信号,然后大叫道:「我的上帝啊!」音量如此之大,惊得他的妻子和成年儿子跑过来看他。

    合作研究人员立即开始了非常细致繁重的两遍,三遍,四遍的数据确认。「我们说我们做了约质子直径千分之一大小的尺度的测量,向我们讲述着两个黑洞在10亿年前的合并,」Reitze说道。「这可是一个非同寻常的宣布,需要非同寻常的证据支撑。」与此同时,LIGO科学家们被要求宣誓保守秘密。随着这一发现的传言散布开来,从9月份末持续到最近一个星期,媒体的激动进入了尖峰状态;也开始有关于诺贝尔奖的议论。不过所有的合作者给外界任何询问这件事的任何人一个统一的简单的答复——他们仍然在分析数据,还没到发表结果的时候。Kalogera甚至连自己的丈夫都没告诉。

    2

    LIGO由两个设施组成,相隔1900英里——大约坐飞机需要3个半小时,不过对于引力波只需要万分之一秒就能到达。位于路易斯安那的探测器,位于Baton Rouge东部的湿地,周围环绕着商业松树林;另一个位于华盛顿州的探测器,在全美核废料数量最多的核设施的西南部,位于沙漠灌木蒿,风滚草,和废弃的核反应堆之间。在每一处设施,都有两个12英尺高的互成直角的混凝土管道伸向远方,从高空看上去像是木工的矩一样。管道是如此之长,将近2.5英里,他们需要在尾端从地面升起近1码,来确保管道自身的直线性,与地球表面自身的弯曲分离。
    2016-2-20 17:00 引用
    周华: 引力波问题有点隔行如隔山,比如引力波作用在LIGO观测台上时空发生变化,一个方向的尺度缩短,与之垂直方向上的尺度延长,与此同时穿行在时空中的光波是否不变, ...


    看看那两张图 10(-18) 10(-22) 应变,这么小的应变  物理上是什么?
    2016-6-22 20:41 引用

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