百年穿越時空共鳴

王寧

2015年9月14日，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）偵測到了距地球13億光年的兩個超大質量黑洞合并時所傳出的時空振蕩。這是人類首次直接發現雙黑洞系統。合并前，兩個黑洞的質量分別為26和39個太陽質量，合并后的單一黑洞，其質量為62個太陽質量，少了的3個太陽質量，是在合并瞬間大約0.05秒的時間內，轉換為巨大能量并以引力波為載體，向宇宙空間釋放出去。 激光干涉引力波天文臺（LIGO）執行總監雷茨向全世界宣布LIGO探測到了引力波 　　這對雙黑洞發生合并的時間，對應于地球誕生后大約32億年，按照地史的地質年代劃分，對應于前寒武紀的太古代，那還是一個漫長而沒有生命，死一般沉寂的世界。　　引力波以光的速度在浩瀚宇宙中傳播，經過13億年，于2015年9月14日到達地球，被LIGO成功捕獲。之后，科學家們花費了數月時間，驗證數據并通過極其嚴格的審查程序，最終，于今年2月11日正式向全世界宣布：LIGO探測到了引力波。 雙黑洞系統 　　一百多年前的1905年，里程碑式的偉大物理學家愛因斯坦基于狹義相對性原理以及光速不變原理，針對慣性系發表了他的狹義相對論，其中就有我們所熟知的質能方程式：能量等于質量乘以光速的平方。正是這個質能方程式，指導著人類發現了核能，使美國人在二戰時期制定出了曼哈頓計劃并最終制造出原子彈。1945年，原子彈應用于實戰，加快了日本侵略者的滅亡以及二戰的結束。 里程碑式的偉大物理學家阿爾伯特·愛因斯坦 　　1915年，愛因斯坦將他的相對論學說拓展到了非慣性系。基于廣義相對性原理以及等效原理發表了他的廣義相對論，并推導出了一個二階的非線性偏微分方程組，即著名的引力場方程。愛因斯坦基于廣義相對論，首次提出了一種完全不同于以往的關于引力的觀點：引力并非質量之間的吸引，而是質量對周邊時空造成的彎曲。也就是說，由于質量的存在，改變了物理時空的平直性質，空間和時間都是彎曲的，而時空的彎曲程度就反映了引力作用的強弱。如果說狹義相對論研究對象的背景時空是平直的，那么，廣義相對論研究對象的背景時空就是彎曲的。 質量引起的時空彎曲 　　愛因斯坦預言：質量在加速時會發生引力輻射。也就是說，一個靜止的質量會造成周邊時空的彎曲，而且，質量越大，周邊時空的彎曲程度就越嚴重，但這種時空彎曲不能以波的形式向外傳播。而對于一個加速的質量來說，它造成的時空彎曲會以波的形式向外傳播，這就是引力波。　　宇宙中，一個單一運動中的天體所發出的引力波，波長很長，頻率很低，振幅很小，且不具有很好的周期性。一些由超大質量天體構成的雙星系統，譬如雙中子星系統、雙黑洞系統等，由于雙天體之間的相互纏繞旋轉，會對周邊時空形成劇烈擾動，從而向外發出頻率很高，振幅很大且具有良好周期性的強大引力波。　　愛因斯坦的這個預言，在此之前的一百年來一直無法以實際探測直接驗證。 雙星系統 雙星系統中雙天體相互纏繞旋轉對周邊時空形成劇烈擾動向外輻射出強大引力波 　　對于愛因斯坦廣義相對論正確性的驗證，走過了一百年的漫長歷程，歷代科學家們都做出了不懈努力。最重要的驗證手段就是通過實際探測來驗證愛因斯坦基于廣義相對論的各項預言。其中就包括史上著名的三大經典驗證： （一）驗證“水星近日點進動”　　水星公轉軌道上的近日點不是固定不變的，而是順著公轉方向圍繞太陽緩慢移動，稱之為近日點進動。其實，水星的遠日點同樣在進動，致使水星大橢圓公轉軌道的長軸圍繞太陽緩慢旋轉。太陽系中除了水星之外的其他七大行星的近日點都存在進動現象，只不過因為水星距離太陽最近，它的近日點只有4600萬千米，因此，受太陽彎曲時空的影響最大，進動現象相對最為明顯，更易于天文觀測。科學家們通過實際觀測，得出水星近日點的進動數據為每百年5600.73角秒，而利用牛頓萬有引力定律計算出的水星近日點的進動數據為每百年5557.62角秒，兩者相差43.11角秒。如果考慮時空彎曲因素，利用廣義相對論計算出的進動數據則與實際觀測數據高度吻合，圓滿地解釋了這多出的43.11角秒，從而驗證了這一預言的正確性。 水星近日點進動 （二）驗證“光線在引力場中的偏折”　　1915年，愛因斯坦依據他的廣義相對論，計算出星光經過太陽邊緣時的偏折度為1.74角秒。1919年，科學家們第一次在日全食時進行了檢驗光線彎曲的觀測，初步驗證了這一預言的正確性。從那以后，經歷了更多次的日全食觀測，都得出了同樣的結論，即愛因斯坦預言的偏折量比牛頓力學所預言的偏折量更接近于實際觀測。　　現代天文觀測中，科學家們利用射電源發出的微波在太陽邊緣的偏折量來進一步驗證。最為權威的一次是在1991年，科學家們利用多家天文臺協同觀測的技術，以萬分之一的精確度驗證了這一預言的正確性。 光線在引力場中的偏折 （三）驗證“引力紅移效應”　　所謂“紅移”的概念是從可見光光波特性中來，可見光光譜中，紅光的波長最長，頻率最低。紫光的波長最短，頻率最高。當一顆恒星離我們而去時，我們接收到它發出的光的波長會變長，頻率會變低，譜線向紅光端移動，稱之為光波紅移。相反則稱之為光波紫移。聲波、電磁波也具有同樣的特性，雖然不存在光譜，但仍把波長變長，頻率變低的過程稱為“紅移”，也稱為多普勒效應。當年，就是利用雷達回波的多普勒效應，來判斷已處于失聯狀態的馬航MH370航班飛行方向的。　　依據廣義相對論可知，一個大質量天體會使周邊時空彎曲，越靠近該天體，時空彎曲的程度越嚴重，引力場越強，時間變得越慢，所發出的光紅移量也就越大，這是因為時間變慢，但光速不變，則相應的波長會變長，頻率變低，即產生紅移效應。由于這種紅移效應是引力場所致，因此被稱為引力紅移效應。如果直接探測一個大質量天體發出的光或電磁波，根本無法驗證引力紅移效應。因為，天體發出的光或電磁波抵達地球后，其中已摻雜進多普勒紅移及宇宙學紅移的影響，即所產生的紅移量是三種紅移效應綜合影響的結果。如果在地球上，利用地球引力場來進行測量，則可避免多普勒紅移及宇宙學紅移的影響。然而，卻帶來了另外一個問題，那就是由于地球的質量不足夠大，引力場不足夠強，所造成的引力紅移微乎其微。不過，早在六十年代，科學家們就圓滿地解決了這個精細測量問題。利用穆斯堡爾效應的精密測量特性，測量了光垂直傳播22.5米所產生的微小紅移量，驗證了引力紅移效應的存在，亦即成功驗證了愛因斯坦這一預言的正確性。 引力紅移效應示意圖 　　一百年后的今天，隨著人類科學與技術的飛躍進步，LIGO的壯舉，將愛因斯坦廣義相對論的最后一個預言（加速質量的引力輻射）完美的驗證了。　　LIGO分別在美國的路易斯安那州利文斯頓市與華盛頓州小城漢福德市建造了兩個引力波探測器，兩者相距3002千米。經過改造升級后，探測器的探測靈敏度大幅度提高，主要由麻省理工大學及加州理工大學的科研團隊負責運行。整個探測項目還吸收了十多個國家的一千多名科學家參與，其中也包括我國清華大學的科研團隊。　　每個探測器都具有兩個相互垂直且長度均為4千米的干涉臂，兩個干涉臂的交匯處設有激光光源及成像裝置，而其遠端分別設有光反射鏡。光反射鏡每接收到300萬個光子，只有一個光子被吸收，說明光反射鏡幾乎不會損耗激光束的光能。激光光源及成像裝置，遠端的光反射鏡以及整個光路被封閉在超高真空環境內，以保證激光束在運行過程中不會與氣體分子碰撞而致使光能衰減。整個探測器具有極高的隔離震動能力，以最大限度地提高信噪比。 建在華盛頓州漢福德市的引力波探測器 　　根據光的干涉原理可知，兩束頻率相同，相位差恒定，振動方向一致的相干光源，可以產生光的干涉。而探測器就是利用了光的干涉原理，用干涉條紋的周期性變化來體現光程差的周期性變化。首先，位于兩個相互垂直的干涉臂交匯處的光源發出具有極佳單色性的激光束，通過分光系統一分為二后，將頻率相同，相位差恒定，振動方向一致的兩束激光同時射入兩個干涉臂中，光在真空中運行至最遠端，被光反射鏡反射而折返，兩束激光在光源處的成像裝置上交匯，發生干涉現象并形成干涉條紋。　　當引力波到達時，根據愛因斯坦的廣義相對論可知，此處的時空會發生扭曲，致使探測器的一個干涉臂變長，而與其垂直的另一個干涉臂則相應變短，對應于兩個干涉臂內的兩束運行中的激光束來說，一路的光程變長，而另一路的光程則相應變短，從而產生光程差。然而，這個光程差變量微乎其微，只有一個質子直徑的千分之一，如此微小的光程差不足以使干涉條紋發生較為明顯的變化。如果能夠加長光程，那么光程變量就會相應加大，光程差也會相應變大。在探測器接收到引力波并造成兩干涉臂長度發生相應變化的短瞬周期內，二等分后的兩束激光分別在各自運行的干涉臂內往返N次，以往返500次為例，單路光程即變為4千米×500×2，即為4000千米，相當于加長了1000倍，同時，光程變量也加大了1000倍，兩路激光之間的光程差同樣加大了1000倍，此時，兩路激光在成像裝置上交匯，形成干涉條紋，這樣的干涉條紋會產生足夠明顯的變化。至于N的數值選多大，這完全取決于目前的科技水平及制造水平能達到的探測器的測量精度。理想情況下，N的取值應為1。引力波波峰時，A干涉臂的長度最長，而垂直向的B干涉臂長度最短；引力波波谷時，A干涉臂的長度最短，而垂直向的B干涉臂長度最長。這是兩個極限情況，其他情況下，兩干涉臂的長度在兩個極限情況之間連續變化。由于接收到的引力波是連串波，因此，兩個相互垂直的探測臂長度會呈現此消彼長的周期性變化，亦即光程差會跟隨引力波呈現出周期性變化，所對應的干涉條紋同樣會跟隨引力波呈現出周期性變化，這樣的周期性變化可用與之對應的模擬電信號波形直觀地顯示出來，這在一定程度上可以證明該探測器捕捉到了引力波。實際探測過程中，僅憑單一探測器所形成的數據來證明探測到了引力波并不嚴謹，只有位于路易斯安那州和華盛頓州的兩臺探測器同時產生近乎相同的模擬波形，才能夠嚴謹的證明LIGO探測系統探測到了引力波。本次探測，相距3002千米的兩臺探測器在7毫秒的微小時間差內，先后捕捉到了同一引力波，并產生近乎相同的模擬波形，兩臺探測器的數據相互印證，極大地提高了數據的可靠性，這使得LIGO在宣布這一重大消息之后，信心滿滿地表示，此次探測結果出錯的可能性為零。 引力波探測原理示意圖 　　追溯人類的觀測天文學史，最早以光學天文望遠鏡為觀測裝置的可見光觀測天文學。后來，由于射電天文望遠鏡的出現，從而擴展到全波段觀測天文學。此次LIGO的成功探測，為人類的觀測天文學開辟了一條嶄新途徑，那就是“引力波探測天文學”，引力波探測天文學就是通過引力波這個途徑來觀測發出引力波輻射的天體系統。然而，這僅僅是一個開始，如何提高探測器的靈敏度，以捕捉更多頻段的引力波，如何從捕捉到的引力波中解讀出關于輻射源天體的更多信息，都需要我們人類繼續做出不懈努力。 奧妙無窮令人類無限遐想的浩瀚宇宙 　　本次LIGO探測到的雙黑洞系統，其實從它們的相互纏繞旋近階段開始，就不斷擾動時空，不斷輻射出引力波，只是頻率不足夠高，振幅不足夠大，且受到目前探測器靈敏度所限，而使LIGO探測器捕捉不到。只是在合并階段初期，形狀還只是非圓的不規則態時，此時輻射出的引力波頻率最高，振幅最大，而被LIGO探測器成功捕獲。如果，LIGO探測器具有足夠高的探測靈敏度，能夠捕捉到兩個黑洞在纏繞旋近階段輻射出的引力波，那就大大延長了探測時間，從而可以獲取更多關于雙黑洞系統的未知信息，將利于我們人類更加深入的了解這一特殊天體系統的整體特性。若要大幅度提高探測器的靈敏度，最好的辦法就是把探測器搬到太空中去。　　由三顆探測衛星組成一個等邊三角形，在地球公轉軌道附近共同圍繞太陽旋轉，每顆衛星都同時攜帶大功率激光器和光反射鏡，既可以是光源端衛星，也可以是遠端光反射衛星，等效于三顆衛星圍繞地球構成了三臺彼此相距上百萬千米的太空探測器。同時也等效于將干涉臂加長到上百萬千米，可極大地提高探測靈敏度。這樣的等效干涉臂是無形的，無需像地面LIGO探測器那樣，必須采用高技術、高工藝制造出一個龐大的真空系統，深空中本身就是超高真空環境，只需從一顆衛星同時向另外兩顆衛星發出激光束即可，徹底甩掉探測臂的制造麻煩。另外還有一個地面探測無法比擬的好處就是，安靜的太空可以避免很多震動干擾，從而進一步大幅度降低探測器的制造難度，大幅度降低數據處理難度，同時意味著大幅度提高探測數據的可靠性。這樣的太空引力波探測系統，將具有更大頻段范圍內的引力波探測能力。范圍可涵蓋最高頻的超新星引力坍縮和毫秒脈沖星到最低頻的宇宙誕生初期所發出的引力波。太空探測系統與地面LIGO探測系統還可以組成一個更大的探測系統。當引力波傳來時，太空探測系統率先捕捉到，微小的時間差內，地面LIGO探測器隨后捕捉到，這樣，各自獲取的探測數據不僅可以得到地球上兩地探測器之間的相互印證以及太空中三顆探測衛星之間的相互印證，同時也可以得到天地之間的相互印證，最大限度地提高探測數據的可靠性。 雙黑洞系統旋近合并鈴振各階段所對應的引力波振幅強度 　　LIGO探測到引力波，將極大地拓展人類觀測宇宙的視野，意義非凡！在愛因斯坦時代，對黑洞這樣的天體，只能依據廣義相對論推算出來。即使到了后來的全波段天文學時代，由于黑洞從不發生任何電磁輻射，所以無法探測到。只對于一種特殊的雙星系統，即一個黑洞和一個恒星構成的雙星系統，可以利用吸積效應間接證明黑洞的存在。而對于雙黑洞系統，由于根本不存在吸積效應，因此根本無法探知。此次，由于探測到了引力波，使得人類首次發現雙黑洞系統。 黑洞的吸積效應 　　距今137億年前的宇宙大爆炸以及宇宙的誕生過程，都釋放出了引力波。這些引力波以光速且幾無衰減的在浩瀚宇宙中傳播了137億年，如果有那么一天，人類捕捉到這樣的引力波，必將使人類獲得極其豐富的關于宇宙大爆炸及宇宙誕生過程的相關信息。LIGO探測到引力波，還使人類開啟了另外一扇大門，那就是探測暗物質。我們知道，宇宙中所有已知天體物質的總和，在整個宇宙中的占比只有5%，而暗物質在整個宇宙中的占比卻可以達到23%。目前，我們人類對于暗物質知之甚少。由于暗物質與外界的唯一關聯就是引力作用，而且，這種引力作用非常微弱，所以一直以來，人類都無法探測到暗物質。隨著引力波探測技術的不斷發展，必將構建起人類探知暗物質的有效捷徑。 燦爛的星空回蕩著最美交響曲 　　一百年前，愛因斯坦以他超人的智慧譜寫了一曲令人倍感神秘和驚奇的夢幻樂章，這美妙旋律穿越了百年時空，與LIGO譜寫出的委婉細膩的華彩樂章，在浩瀚時空中交匯共鳴，合成了一部精美絕倫的宇宙交響曲！ 【完】 文作者：王寧圖片：來自網絡圖片注釋：王寧編輯：王寧

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百年穿越 時空共鳴

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