LIGO 负责人:为什么引力波的发现会改变我们对宇宙的认知?

摘要

引力波的发现标志着人类在太空探索的路途上迈出了里程碑式的一步,在 GIF 2017 上,LIGO 的 Hanford 观测台负责人 Michael Landry 来到现场,分享了引力波发现前后的点点滴滴。

2016 年 2 月 11 日,在爱因斯坦预测引力波存在的 100 年之后,由美国科学基金会资助、加州理工和麻省理工的学者共同建造和维护的 LIGO(激光干涉引力波天文台)宣布,人类首次探测到了引力波。

作为过去一年里科学界最重大的突破之一,引力波的发现标志着人类在太空探索的路途上迈出了里程碑式的一步。

在 2017 年极客公园创新大会(GIF)上,LIGO 的 Hanford 观测台负责人 Michael Landry 来到现场,分享了引力波发现前后的点点滴滴。

(文章部分参考了 Michael Landry 在 2016 年年初在 TEDx 上的演讲,演讲主题为「The Universe Speaks of Black Hole Collisions」。)


400 年前,伽利略把望远镜瞄向了星空。

他观察到了金星的相变,认为金星是绕着太阳转的而绕着地球。他观察到了土星的四颗大卫星,它们也不围绕地球转。他还看到到了月亮的表面是不平坦的,和神话故事里的描述大相径庭。

伽利略观察到的这些东西都和当时人类的所知有很大的区别,让人类意识到自己其实并不在宇宙的中心,只是一个更大、更复杂的茫茫宇宙中的沧海一粟。

galileo_telescope-700x432.jpg伽利略最初使用的天文望远镜

我认为,最优秀的科学发现可以改变我们对宇宙的认知,让我们看到之前从未了解的事物。再比如说电磁波谱,我们可以看到其中的可见光,但科学发现告诉我们,电磁波谱中还有我们肉眼看不到但却真实存在的无线电波、红外线、伽马射线。

不过除了我们已经发现的这些,宇宙中还有很多东西是我们还不了解的。为了找到这些东西,我们需要设计特别的探测器,更重要的是,我们需要孜孜不倦的人来追寻这些宇宙中不为人知的秘密。

寻找引力波

我是一名物理学家,在 LIGO 工作。

LIGO 的全称是 Laser Interferometer Gravitational wave Observatory,即激光干涉引力波天文台,我们的工作是寻找引力波。

在 20 世纪早期,爱因斯坦提出了广义相对论理论,解决了牛顿的理论体系下一些无法解释的问题,并基于该理论提出了一些看上去很怪异的预测,比如说星光弯曲、黑洞的存在、大爆炸以及引力波。

The Universe Speaks of Black Hole Collisions - Michael Landry - TEDxYYC_2017年1月16日 上午12.50.11.png两个互相吸引的黑洞(示意图)

关于引力波最形象的描述可能就是「时空涟漪」了。宇宙中,两个质量极大的物质(比如黑洞)相互高速地环绕,会让周围的时空产生一阵阵的「涟漪」。就像是在平静的水面丢下一个小石块,水面会有一圈圈的波纹向外扩散,这时候水面就是时空,水的波纹就是引力波。

2017-01-16 00_53_06.gif引力波传播示意图

如果我们可以找到引力波,可以再一次地验证爱因斯坦广义相对论的正确性。此外,这还可以改变我们认知宇宙的方式,这种改变就像是人类增加了一种额外的感官。

用激光干涉仪探测引力波

问题是,引力波太微弱了。

可以产生巨大引力波的中子星、黑洞距离我们非常非常遥远,以至于在爱因斯坦提出引力波一个世纪之后,人类始终没有直接探测到它。

上世纪 70 年代,科学家提出了使用激光干涉仪探测引力波的方法,而激光干涉仪也是 LIGO 以及世界上其它引力波探测站目前正在使用的探测方法,它的原理大致如下。

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首先从激光器中发射出一束频率非常稳定的激光,这一束激光先通过分光镜,然后被分为两束强度相同的激光,这两束激光分别进入两个互相垂直的干涉臂(LIGO 建造了两个 4 公里长的真空管道),激光光束在抵达尽头后,会通过镜片反射回来,然后在分光镜的位置相遇,在这里会有一个输出端口,用于读出这两束激光合并在一起、产生干涉后的光强。

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通过控制这两个互相垂直干涉臂的长度,这两束激光是可以互相抵掉的,这时候输出端口上我们就无法读到光信号。当有引力波通过,会引起时空变形,一个臂的长度会变长,另一个臂的长度变短,从而造成光程差,激光干涉条纹会因此发生变化。

从原理上看,LIGO 的引力波探测器相比普通的迈克尔逊干涉仪没有多少区别,但 LIGO 用的激光干涉仪在减震、光源、数据处理上做了大量的改进,让其使用的设备拥有远超之前探测设备的精度。

LIGO 有两个这样的 L 型引力波探测器,一个在美国的路易斯安那州的利文斯顿(Livingston),一个在华盛顿州的汉福德(Hanford ),汇集了 1000 名来自世界各地的科学家和工程师。另外,LIGO 还和意大利的 VIRGO 探测站进行合作,后者汇集了 250 名科学家和工程师。

事实上,在 LIGO 使用现在的设备之前,已经使用了上一代的设备探测了十年之久,不过一无所获。之后,LIGO 花了四年的时间改进设备,并于 2015 年将新设备开始投入使用,随后就探测到了引力波。

第一次探测到引力波

在 2015 年 9 月 14 日,引力波穿过地球,它首先通过了路易斯安那的引力波探测器,7 毫秒之后通过了华盛顿的探测器。

在经过了严谨的数据分析后,LIGO 得出,这次探测到的引力波是两个黑洞在互相融合期间释放出的,这次的融合发生在 13 亿年前,之后它们发出的引力波就开始向着包括地球在内的宇宙各个地方进行传播。

这两个黑洞的初始质量大约为太阳的 30 倍,以 0.5 倍光速的速度绕着对方旋转。二者融合之后,大约 3 倍太阳质量的物质转化为能量,以引力波的形式释放出来,瞬间的功率超过了宇宙中所有恒星的功率之和。当然,这些能量并不是以光的形式释放的,而是全部以空间形变的方式。

在对探测的信号进行处理后,我们可以直接用声音的方式听到引力波。在下面的这段视频中,首先你会先听到探测器的噪音,然后你会听到声音的频率不断提高,这段声音对应的就是两个黑洞从互相旋转并合并的状态。视频中会听到两段声音,第一段是探测器探测出来的真实声音频率,它的音调比较低,不太明显,第二段声音中,我们提高了声音的频率,可以更容易地听到。这是人类第一段来自引力波的声音,在 12 月 25 日,我们第二次探测到了引力波,这也是两个黑洞融合时产生的,不过这次的强度要明显比第一次低一些。

这一次成功探测让我们无比兴奋,它让引力波天文学终于可以正式被确立,而我们是最早的见证者。

在爱因斯坦预测了引力波存在一个世纪之后,我们终于直接探测到了引力波。在这一过程中,我们还探测到了一种像恒星一样质量巨大的新型黑洞(质量比任何用 X 光探测到的黑洞都要巨大)m并且还证明了成对、并互相融合的黑洞是存在的。

我们对引力波成功的探测扩大了我们的视野,在探索宇宙未知世界的又迈出了一步。

除了这两次成功的探测,我们还探测到了另外一次可能的引力波,但由于信号过于微弱,我们还不能完全确定。

未来每天都能探测到引力波?

在未来的数年里,我们会继续提高探测设备的灵敏度。

如果未来两年内我们设备可以达到了规划的灵敏度,我们每天都可以探测到一次两个黑洞的融合。有了更灵敏的设备,我们还可以探测到中子星的彼此融合。中子星是恒星演化到末期,重力崩溃发生超新星爆炸之后形成的星体,成功探测后,我们会对原子核物理学中的极端材料有更多的了解。

我们还会将光学望远镜、射电望远镜,伽马射线望远镜加入到探测系统,或许用不了多久,我们就会有很多之前完全未曾想象的发现。

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经过了过去几百年的发展,我们对行星、银河系、尘埃、光、亚原子等宇宙中的元素已经有了很多的理解,但我们所理解的东西可能只占到了 5%,还有 95% 的东西,比如暗物质、暗能量,是我们现在未曾了解的,这样一想我们还挺无知的。

当伽利略把那台设计很原始的望远镜瞄向星空后,未来的几年里,他就彻底改变了我们对自己和世界的认知,也就是从那时候起,我们设计了很多更灵敏、更优秀的天文望远镜。

而现在就是引力波天文学的开始,我们已经成功探测到了引力波,未来,我们会设计更优秀的引力波探测器,我们对宇宙的了解方式将从原来的「看」这一点,转变为「看」和「听」兼具。

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