什么是引力波 它是怎么被发现的(2)
2023-04-07 来源:文库网
▲图4-3 美国路易斯安那州利文斯顿的LIGO装置
两套装置皆呈L形，各有两个4千米长、彼此垂直的臂，臂内保持超高真空状态。科学家把一束激光导入分束器，由分束器把激光一分为二，分别送入两条臂中。在臂的两端各有一面镜子，激光在两面镜子之间来回反射400次（走过1600千米）。最后，再把两条臂中的激光合二为一。
装置经过特别设计，让一束光的波峰正对另一束光的波谷，使两束激光在合并后彼此抵消，如此一来，就不会有光传到光电探测器上。
当有引力波经过时，双臂的臂长稍有改变，导致两束激光在臂中走过的距离发生变化，光的相位也随之偏移（幅度远小于1个波长）。结果，两束激光在合并时不再完全抵消，这时，就会有一部分光传到光电探测器上（见图4-4）。
LIGO异常灵敏，因为只有如此，它才有可能探测到引力波。
▲图4-4 LIGO引力波探测器示意图
▲左：两束激光完全反相，在合成束后完全抵消。这时，不会有光传到光电探测器上。右：臂两端的镜子稍稍改变位置，导致两束激光走过的路程发生变化。如此一来，两束激光不再完全反相，在合并后会有一部分光传到光电探测器上
04 深空里的暴烈事件
LIGO的升级版——高新激光干涉引力天文台（Advanced LIGO），在2015年9月18日投入运行。然而，就在正式投用的前4天，奇妙的事情发生了。汉福德和利文斯顿两地的装置在几毫秒内，先后探测到一个相同的明确信号（见图4-5）。
▲图4-5 LIGO探测到有史以来第一个引力波信号
科学家已经研究过这种暴烈事件，并用计算机建模。所以，他们能从LIGO探测到的引力波中，辨认出事件的特征。根据计算机模型，科学家发现双黑洞并合系统能够持续不断地发出引力波。整个系统也因此不断消耗能量，致使两个黑洞越转越近，最终合并成一个新黑洞。
在黑洞向内绕转的最后时刻，系统发出的引力波明显增强。新形成的黑洞一开始时极不稳定，在发出最后一阵引力波（铃宕）后，便很快安定下来。
科学家从这第一个简短信号里，提取出大量的信息。他们知道了这个黑洞并合事件发生在距离我们13亿光年的地方。LIGO探测到的引力波正是两个黑洞在并合前一刻以及铃宕阶段产生的。据估算，两个黑洞的质量分别是太阳质量的29倍和36倍，并合形成的新黑洞有62倍太阳质量，而且在飞快地自转。
真正令人吃惊的是，在这场并合中，约有3倍太阳质量的物质转化成能量，以引力波的形式释放出来。如此巨大的能量释放只在时空中掀起了极小的涟漪，这个时空涟漪向外扩散，传播到13亿光年外的地球。引力波虽然只是微小的时空涟漪，却携带着巨大的能量。
这是人类有史以来第一次探测到双黑洞系统，也是迄今为止最为直接的一次黑洞观测。这次观测还证实了引力波如预期的那样，以光速传播。
2017年的诺贝尔物理学奖颁给了美国物理学家基普·索恩（Kip Thorne）、巴里·巴里什（Barry Barish）和雷纳·韦斯（Rainer Weiss），以表彰他们在LIGO研发中做出的决定性贡献。引力波天文学的时代到来了。
05 名字的含义
宇宙中可能荡漾着引力波，这是广义相对论做出的惊人预言。但直到广义相对论诞生100年后，这个预言才被证实。我们在前文已经讲过，LIGO在2015年9月探测到了引力波。
现在，LIGO每过几个月就会探测到新的引力波信号，头4个信号都是遥远的黑洞并合事件产生的，其中第三个信号是LIGO在2017年1月4日探测到的。
艺术家根据这个信号，对双黑洞系统展开想象（见图5-1）。这两个黑洞的质量分别是太阳质量的32倍和19倍，它们的自转方向也各不相同。图5-1展示了它们即将并合的场景。这个引力波信号被命名为GW170104。猜猜看，它为什么叫这个名字？
两套装置皆呈L形，各有两个4千米长、彼此垂直的臂，臂内保持超高真空状态。科学家把一束激光导入分束器，由分束器把激光一分为二，分别送入两条臂中。在臂的两端各有一面镜子，激光在两面镜子之间来回反射400次（走过1600千米）。最后，再把两条臂中的激光合二为一。
装置经过特别设计，让一束光的波峰正对另一束光的波谷，使两束激光在合并后彼此抵消，如此一来，就不会有光传到光电探测器上。
当有引力波经过时，双臂的臂长稍有改变，导致两束激光在臂中走过的距离发生变化，光的相位也随之偏移（幅度远小于1个波长）。结果，两束激光在合并时不再完全抵消，这时，就会有一部分光传到光电探测器上（见图4-4）。
LIGO异常灵敏，因为只有如此，它才有可能探测到引力波。
▲图4-4 LIGO引力波探测器示意图
▲左：两束激光完全反相，在合成束后完全抵消。这时，不会有光传到光电探测器上。右：臂两端的镜子稍稍改变位置，导致两束激光走过的路程发生变化。如此一来，两束激光不再完全反相，在合并后会有一部分光传到光电探测器上
04 深空里的暴烈事件
LIGO的升级版——高新激光干涉引力天文台（Advanced LIGO），在2015年9月18日投入运行。然而，就在正式投用的前4天，奇妙的事情发生了。汉福德和利文斯顿两地的装置在几毫秒内，先后探测到一个相同的明确信号（见图4-5）。
▲图4-5 LIGO探测到有史以来第一个引力波信号
科学家已经研究过这种暴烈事件，并用计算机建模。所以，他们能从LIGO探测到的引力波中，辨认出事件的特征。根据计算机模型，科学家发现双黑洞并合系统能够持续不断地发出引力波。整个系统也因此不断消耗能量，致使两个黑洞越转越近，最终合并成一个新黑洞。
在黑洞向内绕转的最后时刻，系统发出的引力波明显增强。新形成的黑洞一开始时极不稳定，在发出最后一阵引力波（铃宕）后，便很快安定下来。
科学家从这第一个简短信号里，提取出大量的信息。他们知道了这个黑洞并合事件发生在距离我们13亿光年的地方。LIGO探测到的引力波正是两个黑洞在并合前一刻以及铃宕阶段产生的。据估算，两个黑洞的质量分别是太阳质量的29倍和36倍，并合形成的新黑洞有62倍太阳质量，而且在飞快地自转。
真正令人吃惊的是，在这场并合中，约有3倍太阳质量的物质转化成能量，以引力波的形式释放出来。如此巨大的能量释放只在时空中掀起了极小的涟漪，这个时空涟漪向外扩散，传播到13亿光年外的地球。引力波虽然只是微小的时空涟漪，却携带着巨大的能量。
这是人类有史以来第一次探测到双黑洞系统，也是迄今为止最为直接的一次黑洞观测。这次观测还证实了引力波如预期的那样，以光速传播。
2017年的诺贝尔物理学奖颁给了美国物理学家基普·索恩（Kip Thorne）、巴里·巴里什（Barry Barish）和雷纳·韦斯（Rainer Weiss），以表彰他们在LIGO研发中做出的决定性贡献。引力波天文学的时代到来了。
05 名字的含义
宇宙中可能荡漾着引力波，这是广义相对论做出的惊人预言。但直到广义相对论诞生100年后，这个预言才被证实。我们在前文已经讲过，LIGO在2015年9月探测到了引力波。
现在，LIGO每过几个月就会探测到新的引力波信号，头4个信号都是遥远的黑洞并合事件产生的，其中第三个信号是LIGO在2017年1月4日探测到的。
艺术家根据这个信号，对双黑洞系统展开想象（见图5-1）。这两个黑洞的质量分别是太阳质量的32倍和19倍，它们的自转方向也各不相同。图5-1展示了它们即将并合的场景。这个引力波信号被命名为GW170104。猜猜看，它为什么叫这个名字？
