在距離諾貝爾獎(jiǎng)揭曉不到一周的時(shí)間點(diǎn)，曾被視作摘獎(jiǎng)熱門的引力波發(fā)現(xiàn)又取得了突破性的進(jìn)展，美國的兩處 LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)） 和歐洲的 Virgo 天文臺(tái)聯(lián)合宣布，他們又一次探測到了由兩個(gè)黑洞融合形成的引力波 （Gravitational waves）。而除了新發(fā)現(xiàn)之外，本次進(jìn)展最大的亮點(diǎn)在于通過三點(diǎn)定位原理觀測引力波的方法要比以往的觀測手段在精度上提升 10 倍。
圖丨黑洞融合
作為由美國國家自然科學(xué)基金會(huì)所資助的科研項(xiàng)目，兩座激光干涉引力波天文臺(tái)（Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory, LIGO）分別部署于相距 3000 公里的美國南海岸 Livingston 和美國西北海岸 Hanford，其是借助于激光干涉儀來完成對(duì)引力波的探測。
目前，人類已經(jīng)分別在 2015 年 9 月、2015 年 12 月和 2017 年 1 月 4 日完成了三次引力波的觀測，而今天的這次探測則是第四次。不過，與前三次所不同的是，這一次的探測中多了一個(gè)新的面孔——位于意大利的 Virgo 觀測臺(tái)。
圖丨意大利的 Virgo 觀測臺(tái)
今年 8 月 14 日，Virgo 第一次監(jiān)測到了由十多億光年外的雙黑洞融合所產(chǎn)生的引力波信號(hào)，這也是位于美國和意大利的三處天文臺(tái)首次同時(shí)觀測到這種黑洞融合現(xiàn)象。有關(guān)這次發(fā)現(xiàn)引力波的論文已經(jīng)提交至《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。
那么三處天文臺(tái)同時(shí)發(fā)現(xiàn)引力波意味著什么？其實(shí)可以簡單的和三角定位法做類比，由于三處天文臺(tái)接收到信號(hào)的存在時(shí)間差，它們同時(shí)探測到引力波將有助于更好的為定位信號(hào)的來源。
其實(shí) GPS 衛(wèi)星在精準(zhǔn)定位地球上的位置是也采用了類似的三角定位原理?！斑@次探測引力波的精度遠(yuǎn)高于前三次！”意大利 Virgo 天文臺(tái)發(fā)言人 Jo van den Brand 表示。
圖丨Virgo觀測臺(tái)的掃描范圍
了解引力波信號(hào)來源對(duì)后續(xù)觀測具有非常重要的意義。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的光學(xué)及無線電天文望遠(yuǎn)鏡經(jīng)常會(huì)隨機(jī)對(duì)著茫茫蒼穹發(fā)射信號(hào)，但如果觀測方位相對(duì)明確，這類望遠(yuǎn)鏡可在發(fā)現(xiàn)引力波后的第一時(shí)間對(duì)準(zhǔn)信號(hào)來源的方向進(jìn)行觀測。當(dāng)然，由于引力波是由黑洞融合所產(chǎn)生的宇宙漣漪，并不會(huì)產(chǎn)生任何形態(tài)的光，所以對(duì)于引力波觀測來說，傳統(tǒng)天文望遠(yuǎn)鏡可能并沒有太大作用。
但如果將來的某一天，三座天文臺(tái)同時(shí)觀測到了雙星融合，而非黑洞融合現(xiàn)象，那么傳統(tǒng)天文臺(tái)就可以根據(jù)大致定位方向進(jìn)行進(jìn)一步觀測了。“隨著 Virgo 的加入，我們進(jìn)入了一個(gè)『多信息天文學(xué)』（multi-messenger astronomy）的全新時(shí)代，”LIGO 團(tuán)隊(duì)研究員、卡迪夫大學(xué)物理學(xué)家 Bangalore Sathyaprakash 表示?！斑@為我們的研究打開了一個(gè)全新的方向?！?/p>
圖丨LIGO 團(tuán)隊(duì)研究員、卡迪夫大學(xué)物理學(xué)家 Bangalore Sathyaprakash
的確，從人類首次探測到引力波后，該領(lǐng)域相關(guān)研究已經(jīng)往前邁進(jìn)了一大步，并進(jìn)入了全新階段。眾所周知，引力波是愛因斯坦廣義相對(duì)論最后一塊未解之謎。二十世紀(jì)初愛因斯坦提出廣義相對(duì)論后，時(shí)空的概念也顛覆了大多數(shù)人的物理常識(shí)。
廣義相對(duì)論認(rèn)為，大到天體，小到人類本身，在它們運(yùn)動(dòng)時(shí)，都會(huì)使周圍的時(shí)空產(chǎn)生漣漪。這是很容易理解的一個(gè)概念，就像船在水中移動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生水波。只是在發(fā)現(xiàn)引力波之前，這一理論還從未被驗(yàn)證過。
然而，要觀測到引力波——這種在宇宙中擴(kuò)散的漣漪——是一項(xiàng)異常艱難的任務(wù)。打個(gè)比方，如果要在地球上探測某人運(yùn)動(dòng)時(shí)周圍產(chǎn)生的時(shí)空扭曲，基本上是不可能的，因?yàn)檫@種時(shí)空擾動(dòng)太小太小了。
這就是為什么科學(xué)家們創(chuàng)造了 LIGO 和 Virgo 這類引力波觀測天文臺(tái)，并通過其觀察百萬、甚至數(shù)億光年外巨大天體快速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的強(qiáng)力擾動(dòng)，比如黑洞或中子星融合。這類天體在融合時(shí)，每秒會(huì)進(jìn)行相互環(huán)繞的多次旋轉(zhuǎn)，并最終融合為一個(gè)質(zhì)量極大的全新天體。與此同時(shí)，天體運(yùn)動(dòng)和碰撞時(shí)所產(chǎn)生的時(shí)空扭曲，會(huì)表現(xiàn)為引力波形式，并以光速向宇宙的四面八方傳播開去。
在抵達(dá)地球的過程中，這些波會(huì)顯著衰減，不過，通過使用類似 LIGO 和 Virgo 這樣最敏感的儀器，我們?nèi)匀挥邢Ｍ麢z測到它們。LIGO 裝置的大致原理是兩條長度相同的探測臂呈 L 型放置，而在兩臂的末端放置一面鏡子來反射激光。將激光發(fā)射到每個(gè)鏡子上的分裂激光器則位于兩個(gè)隧道相交處。
在正常情況下，兩條長臂應(yīng)該是完全等長的，因此激光束在兩條長臂中傳播所花費(fèi)的時(shí)間是一樣的。然而一旦有引力波穿過探測器，時(shí)空的扭曲會(huì)導(dǎo)致一個(gè)方向上的長臂長度就會(huì)被壓縮，而在另一個(gè)方向上的長臂則會(huì)被拉伸，從而導(dǎo)致兩束激光束傳播的時(shí)間長度出現(xiàn)差異，當(dāng)它們反射回來并匯合時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)干涉條紋。
圖丨Virgo觀測臺(tái)工作原理
科學(xué)家們通過這種干涉效應(yīng)來測量長臂所出現(xiàn)的任何極其細(xì)微的空間變化。當(dāng)然，這樣的長度變化將是極其細(xì)微的——LIGO 裝置必須能夠測出相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)子直徑萬分之一不到的長度變化，才可能檢測到引力波信號(hào)。
LIGO 的觀測能力較好，迄今為止已經(jīng)完成了 3 次觀測。而 Virgo 的敏感度則略低于 LIGO。他們于今年 8 月 1 日開始進(jìn)行觀察，并在 8 月 14 日觀測到黑洞融合事件。此次融合中，一個(gè)黑洞質(zhì)量約為太陽的 31 倍，另一個(gè)則是 25 倍，在距離 18 億光年的地方彼此環(huán)繞旋轉(zhuǎn)。研究表示，這兩個(gè)黑洞最終融合成了一個(gè)約為太陽質(zhì)量 53 倍的黑洞。
雙黑洞環(huán)繞旋轉(zhuǎn)，并最終融合
這些黑洞實(shí)際上是極其巨大的——遠(yuǎn)超 LIGO 科學(xué)家在最初尋找引力波時(shí)的預(yù)期。但是，直到第三次發(fā)現(xiàn)的融合事件，科學(xué)家才察覺這些黑洞的質(zhì)量是如此之大?！昂诙此坪跗毡槎际沁@么巨大，而且我們也很快就摸清了它們?nèi)诤系墓?jié)奏?！盨athyaprakash 說。
現(xiàn)在，有了新的觀測臺(tái)的加入，三個(gè)觀測站能夠更精確地定位黑洞的位置，這比僅靠兩個(gè) LIGO 天文臺(tái)時(shí)的準(zhǔn)確度高了 10 倍以上。當(dāng)然，這三個(gè)觀測臺(tái)并不僅僅是能讓天文學(xué)家更好地找到這些信號(hào)發(fā)出的位置，它們還能更好幫助研究人員更精確地測量引力波穿越時(shí)空時(shí)伸展和壓縮的角度。這些信息能夠幫助科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)更多帶來引力波信號(hào)的物體的信息：比如當(dāng)它們相互旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們相對(duì)于地球的傾斜程度如何。
而在最新發(fā)現(xiàn)的第四次融合事件中，天文學(xué)界急切地想要了解 LIGO 是否觀測到了中子星融合（也許是一個(gè)中子星和黑洞的融合事件）。但是現(xiàn)在，LIGO 的科學(xué)家們并未發(fā)表相關(guān)言論。Sathyaprakash 說：“我們準(zhǔn)備在合適的時(shí)間公開相關(guān)事宜”，他指出，他們?nèi)栽趯彶槭占降臄?shù)據(jù)。
圖丨位于美國 Hanford 和 Livinsgton 的LIGO，以及位于意大利的 Virgo天文臺(tái)
與此同時(shí)，這三個(gè)觀測臺(tái)正在從“掃描宇宙”的重任中抽身“休息”。在停機(jī)期間，Virgo 和 LIGO 的科學(xué)家們將努力提高觀測站的靈敏度。LIGO 和 Virgo 也將在 2018 年秋天開始新的觀測，一旦這些觀測活動(dòng)開始進(jìn)行，天文學(xué)家們將有望觀測到更多的引力波現(xiàn)象。Sathyaprakash 說：“隨著進(jìn)一步的改進(jìn)，我想我們每年都有機(jī)會(huì)檢測到這些事件，那將會(huì)令人十分興奮?！?/strong>
來源：DeepTech深科技
編輯:霧里熊
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