听,天体的声音

时间:2020-10-11 栏目:飞碟探索

瞿立建

假如一个年轻人,他觉得自己一生的目的就是要做革命性的发展的话,他应该去学习天文物理学。

——杨振宁

2019年8月14日,人类再次探测到引力波。

对引力波的直接观测开始于4年前,截至今天的每一次发现,都是新颖的,都是令人兴奋的新闻,至少值得科学家兴奋。以前探测到的引力波要么来自两个黑洞的并合,要么来自两个中子星的并合,但2019年8月14日这次不一样,这次引力波来自一个黑洞和一个中子星的并合。这三种引力波事件,构成了一种新型的观测天文学——引力波天文学

观测天体新手段

2016年,我们欢度春节的时候,地球另一边的美国发布了一条重磅新闻——人类首次直接探测到引力波。这次的引力波事件是在2015年9月14日探测到的,来自两个黑洞的并合。

这是物理学上的大事件!这也是天文学上的大事件,但没有为天文观测带来展现身手的机会。黑洞剧烈并合辐射引力波,但是黑洞不发光,这让全世界的望远镜干瞪眼。引力波盛宴,只是引力波探测装置的独食。

2017年10月16日,3位科学家因引力波获得诺贝尔奖之后十余天,美国正式宣告了第6次引力波事件。这次事件不同于以前公布的5次引力波事件,之前的5次都来自两个黑洞的并合,而这次的信号则来自两个中子星的并合。这次事件中辐射出各波段的电磁波,给了全球和太空中70多座望远镜大显身手的机会。我国的南极巡天望远镜AST3-2、第一颗空间X射线天文卫星“慧眼”望远镜也都参与其中。

就这次引力波事件刊发的论文,最后署名作者近4000人,署名单位超过900家。新闻发布会当天,相关论文喷涌而出,包括近100篇预印本文章,8篇Science,6篇Nature,《天体物理杂志快报》(TheAstrophysicalJournalLetters)则出了一期专刊,发表了32篇相关论文。大家都有肉吃,这才是盛宴该有的样子。

这便是引力波天文学的开山之作。

这次引力波事件于2017年8月17日被美國的激光干涉引力波天文台(LIGO)与欧洲的室女座引力波探测器(Virgo)检测到。信号特征显示,这次接收到的是一个全新的引力波——以前检测到的引力波持续时间最长也就一两秒钟,这次持续了约100秒。而且,这次引力波的能量明显更低。种种迹象显示,这次引力波并不像以前的引力波一样源自黑洞并合,它很可能来自中子星并合。

这个全新的引力波信号被接收到约1.7秒后,两家空间望远竟一NASA的费米伽马射线空间望远镜和欧洲宇航局的国际伽马射线天体物理实验室,便相继探测到同一个伽马射线暴,持续时间约两秒。

引力波和伽马射线暴,二者在时间和空间上一致,应具有相关性。全球的天文学家们闻风而动,世界各地的望远镜开始了忙碌的观测,各波段的望远镜都得以大显身手。综合各种观测数据,最终确认,这次引力波事件源自距离地球1.3亿光年处的两个中子星的碰撞和并合。也就是说,这个事件发生在1.3亿年前,当时统治地球的还是恐龙。

这两颗中子星的碰撞成了天文学家的金矿,不仅是修辞意义上的金矿,还是字面意义上的金矿。天文学家发现,这两颗中子星的并合生成了金、铂(俗称白金)等重元素,这是“重元素形成于中子星并合”这一假说的第一个坚实证据。

这是全球天文学家的完美合作,是多种天文观测手段的完美合作,是所谓“多信使天文学”的重大突破。这里的信使是指天文观测的信号,以往有电磁波、中微子、宇宙射线,现在引功波成为这个列表的新成员。

2017年的引力波事件中,多信使天文学让人欣赏到了两颗中子星共舞的终曲,而2019年的引力波事件,则给天文学家带来一个一窥中子星内部结构的机会。

中子星内部是什么样的?没有人知道。科学家猜想,中子星内部是一锅面食——紧挨着壳层是球形的原子核,像面疙瘩;再往里,压强增大,面疙瘩被压成长管状结构,像意大利面;再往中子星内部,面条也被压扁,成了千层面一样的结构。这就是中子星结构的主流理论,如果这个理论出自陕西科学家之手,以上结构或许会被称为麻食、手擀面和肉夹馍。不过中子星面食我们可吃不动,它比钢还要硬100亿倍。想要检验中子星内部是不是锅面食,我们不可能在地球上做一个中子星出来细细研究。那该怎么办呢?

黑洞和中子星并合发出的引力波,为我们检验中子星面食理论带来了可能。中子星可能会被扭曲,这种扭曲会体现在引力波信号中。分析引力波信号,就能推断出中子星面食理论的合理程度。

中子星和黑洞之间三种并合方式辐射的引力波都已经被检测到,这极大地丰富了天文学家对天体的理解和认识。不过,天文学家翘首以盼的第四种可能的引力波还没有被检测到,那就是超新星爆发所产生的引力波。

超新星是某些恒星在寿命接近终结时经历的一种剧烈爆炸。

超新星所产生的引力波比较弱,但如果发生在银河系内,还是有可能被检测到的。电磁波天文学和中微子天文学只能让天文学家了解恒星爆炸初始阶段的样子,且主要是静态的信息,而引力波信号可以向天文学家呈现的则是恒星爆炸全过程录像。

观测天体,引力波天文学一出山就立下大功,未来更是值得期待。

理论发展新机遇

引力波是爱因斯坦广义相对论的光辉预言,引力波被直接检测到是广义相对论的巨大成功。那广义相对论就是关于宇宙天体的终极理论吗?并不是。

广义相对论与物理学中另一个极为成功的理论——量子理论有着尖锐的矛盾。量子理论是关于原子和亚原子的理论。广义相对论里,世界是弯曲时空,所有东西都是连续的,而在量子理论,世界是不连续的能量量子跃动的平直空间。这难免会让人觉得物理学家精神分裂。

如何使二者相容?这是物理正面临的最深奥的问题之一。

一种方式就是像爱因斯坦建立相对论一样,苦心孤诣地推导演算,矢志提出一种理论,以调和广义相对论与量子力学。在这种情况下,很多理论应运而生,如弦论、圈量子引力理论等,数量不下30种。但这种“爱因斯坦式”的纯理论推导并不是物理学家传统的工作方式。传统上,研究问题要从物理现象、物理事实出发,如上个世纪之交量子理论的诞生。

能不能从物理现象中寻找到启发,由此探索能将广义相对论与量子力学相容的新理论?物理学家也想,但是做不到,这要求我们回望宇宙诞生初期,而目前人类靠电磁波只能追溯到宇宙诞生38万年后的世界,所以想通过电磁信号洞察宇宙诞生初期的样子,根本没戏。

靠电磁波信号追溯宇宙诞生初期的样子是不可能,但引力波天文学有望改变这一状况。宇宙大爆炸后宇宙暴胀阶段也会产生引力波,这叫作原初引力波。原初引力波演化到今天已经很弱了,但还是可以想办法测量出来。引力波是广义相对论现象,宇宙暴胀是量子现象,原初引力波可以将二者联系起来,一旦检测出原初引力波的样子,就有可能推断出宇宙创生历程中的一些信息,尤其是推断出引力是如何出现的,进而就有线索找到统一相对论与量子论的理论。

甚至更进一步,随着原初引力波往宇宙起点追溯,洞察出宇宙四种基本作用力(即强核力、弱核力、电磁力和引力)如何融合为一种基本作用力,这就有可能指引物理学家找到大统一理论,完成爱因斯坦的未竟之梦。

天文技术新跨越

要使引力波天文学发挥以上提到的威力,需要营建更尖端的引力波观测设施。很多设施已经在推进中。

目前正在工作的引力波探测装置有3个,其中两个是属于美国的激光干涉引力波探测器(LIGO),另一个是属于欧洲的室女座引力波探测器(Virgo)。LIGO将在未来几年内再次升级改造,将灵敏度再提高一倍。

不过,LIGO和Virgo继续改进的空间很有限了,下一代更大更精密的引力波探测器已经在建设和计划中了。

2019年末投入运行的日本神冈引力波探测器(KAGRA),是世界上第一个位于地下的引力波探测器,屏蔽噪音和振动的能力空前提高,这个装置另一改进之处在于,反射镜置于超低温条件下,可以进一步增强灵敏度和信噪比。

欧洲正在建设世界上第一座位于太空中的引力波探测器——激光干涉空间天线(LISA),计划在2034年发射升空。在太空探测引力波,可以彻底消除地面震动噪声的干扰,便于探测低频引力波。

中国大手笔推进引力波研究,同时启动三个大的项目:阿里计划、天琴计划和太极计划,地面和太空两路并进。

引力波天文学已经是一门成熟的天文学,在天体观测方面,已经小试牛刀,锋芒毕露则需待将来世界各大引力波探测装置投入运行之后。引力波天文学或许会为提出超越广义相对论的引力理论提供线索。

杨振宁曾说:“假如一个年轻人,他觉得自己一生的目的就是要做革命性的发展的话,他应该去学习天文物理学。”现在,是不是可以更具体地说,学习引力波天文学。引力波天文学的建设,中国也适逢其会。科学盛事,中国不再缺席。

阿里計划

中国地面引力波探测项目。全称“阿里原初引力波探测实验”计划,于2017年在海拔5250米的西藏阿里启动建设,是全球海拔最高的原初引力波观测站。阿里地区海拔高、大气稀薄、水汽含量低,又处中纬度,观测天区大,自然条件得天独厚;同时具有较完整的基础设施,是北半球最好的原初引力波观测台址。2018年11月,阿里原初引力波观测站一期基建工程基本完工,将于2020年开始观测。该项计划的目标是探测原初引力波,并希望给出一张北天区宇宙微波背景辐射极化最好的天图。

天琴计划

中国太空引力波探测项目。由中山大学发起,2015年正式启动。该项目将向距地球10万公里的轨道上发射3颗卫星,围绕地球组建边长为17万公里的等边三角形卫星阵列,像在太空中架了一把竖琴,宇宙中的引力波传来,则会拨动“琴弦”,因此命名为“天琴计划”。

太极计划

中国太空引力波探测项目。由中国科学院实施,规划在2033年前后发射由位于等边三角形顶端的3颗卫星组成的引力波探测星组,这一卫星编队将进入距地球约5000万公里的轨道绕日运行,每颗卫星间距300万公里。

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