引力波让我们“听”见宇宙暗处的秘密

光明网 阅读:52948 2020-10-17 08:30:22

原标题:引力波让我们“听”见宇宙暗处的秘密

2015年9月14日,人类首次直接探测到了引力波信号,这一发现打开了人类观测宇宙的一扇新窗户。这次的引力波信号来自于13亿光年之外的遥远宇宙空间,由两个黑洞碰撞并合所引发。

在这次双黑洞合并中,一个36个太阳质量的黑洞与一个29个太阳质量的黑洞合并成一个62个太阳质量的黑洞,辐射出3个太阳质量的能量,这相当于无数颗原子弹同时爆炸所释放出来的能量,它们以引力波的形式向外传播,经过13亿光年的长途跋涉到达了地球被我们发现。

2017年,三位科学家因此获得诺贝尔物理学奖。引力波是什么?它为什么让科学界如此疯狂呢?

什么是引力波?它是时空的涟漪

17世纪,当一个传说中的苹果帮助牛顿发现了万有引力之后,更多的问题接踵而来。引力到底是什么?引力是如何产生的?它又是如何影响到世间万物的?这些问题困扰着当时最顶尖的科学家们。直到两百年后,才有人提出了一个现在看来最靠谱的推论。

爱因斯坦认为所有的物体都存在于一个时空当中,物体的质量不同导致时空的变形程度不一样。物体的质量越大,时空的弯曲就越厉害。

这个说法即使在现在看来也很难被人理解,时空看不见摸不着,而且这和引力有什么关系呢?根据这个推论引力是时空弯曲产生的,而引力波就是时空弯曲产生的涟漪。

拿地球和月球打个比方。地球会影响时空,让时空弯曲一点点,月球也会影响时空,让时空弯曲一点点。当它们绕转的时候它就会互相拖曳对方。这种情况下在时空中就好像有两个东西在波动,时空的波动也会传向远方,这就是所谓的引力波。

如何探测引力波?一把4千米长的大尺子

引力波相当于时空的波动,左右两个点之间如果有时空的波动,那么两点之间的距离就会有变化。如果我们能够测量到这种变化,就能知道有没有引力波穿过两点之间所在的位置。

然而直接测量距离的变化其实非常困难。

2015年9月14号探测到的引力波,当时的变化范围是10的负18次方米。这个变化比原子核还要小,是原子核的千分之一。测量如此小的变化,我们必须找到一把超级精确的尺子。这个世界上最好的尺子是什么?就是激光干涉仪。

当今最具规模的激光干涉引力波天文台LIGO,就是依靠激光干涉仪来探测引力波,它由两个垂直的干涉臂组成,臂长约为4千米。一束激光经过分光镜分为两束方向垂直的光,在相同长度的真空管中来回奔跑,它们的速度都是每秒钟30万千米。

一旦引力波来袭,时空就会发生波动,一只臂就会出现拉伸,而另一只则会出现收缩,两束光不再同步,便会发生干涉,这时候通过激光干涉仪就可以捕捉到这细小的变化,理论上LIGO可以探测到3亿光年距离上的引力波事件。

为什么要探测引力波?

为了倾听宇宙中的黑暗世界的秘密

宇宙大部分的区域隐藏在黑暗中。

光学望远镜、红外望远镜、射电望远镜和X射线伽马射线等高能望远镜,这些望远镜就好比是眼睛,可以帮助我们看到宇宙的深处。但是如果宇宙的深处发生的事情并不发光也不发出任何射线,这些望远镜就无能为力了。

一个最典型的例子就是两个黑洞的并合,它们在合并的过程中并不发光,但是却会发出强大的引力波。如果能够探测到引力波,就能“听”见这些黑暗宇宙中最激动人心的宏大事件。

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