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引力波天文学:“听”见不一样的宇宙

来源:光明网2019-06-14 10:38

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  天文学大概是人类最古老的学科了。尽管历史悠久,但是在很长的一段岁月里,天文学家都只能靠“看”来了解宇宙,看的是遥远天体发出的光。光是电磁波,其中只有很少一部分能被人看到,这一部分叫做可见光。其余的光,如无线电、微波、红外线、紫外线、X射线、伽马射线等,都超出了人眼可见的范围,要用特殊的仪器才能探测到。借助这些仪器,今天的天文学家们已经可以在全电磁波对宇宙进行观察,“看”到我们的祖先看不到的宇宙。(如图1)

引力波天文学:“听”见不一样的宇宙

图1:银河系在不同电磁波段照的照片。可见光波段的照片在第八行。(Credit: NASA)

  宇宙中有没有我们“看”不到的地方呢?公元2015年9月14日将永载史册,因为这一天,美国的激光干涉引力波天文台(英文简称LIGO)搜寻到了一个来自宇宙深处的信号。这个引力波信号不是“看”到的,是“听”到的。

  引力波是广义相对论的预言。通俗的来讲,引力波就好像时空中的涟漪:时空受扰动后,这种扰动会像波一样向外传播,传播的速度是光速。引力波带来的效果之一就是使两点间的距离有规律的振荡。正是通过精确测量地球上两点间距离的变化,LIGO才探测到了引力波。这是一项艰巨的任务,因为这些引力波造成的扰动幅度大概在10-21这个量级。也就是说,即使有一把1000公里的尺子,引力波通过的时候,尺子长度的变化也仅有一个质子那么小,更何况LIGO的两个探测器都只有4公里长。

  探测引力波为什么要靠“听”呢?我们的耳朵之所以能听到声音,就是因为鼓膜对空气的振动作出响应。空气振幅越大,声音听起来越响。而我们的眼睛之所以能看见物体,是因为视网膜对光子作出响应。单位时间内撞击视网膜的光子越多,物体看起来越明亮。因为引力波天文台探测的是引力波的振幅,而不是引力波的流量,所以工作原理更像用耳朵听声音。

  什么样的天体能被引力波探测器“听”到呢?正如人耳听不到特别微弱的声音一样,引力波探测器的听力也是有极限的。只有足够“响亮”的引力波源,才能被“听”见。从原理上来说,这些天体基本都要满足以下四个条件。

  1、质量大。这就是为什么虽然车祸也产生引力波(振幅大概在10-41左右),但是研究引力波的专家一般不关心它们,除非有卡车直接撞在了引力波天文台的外墙上(这样的乌龙事件真的发生过)。

  2、尺度小。太阳的质量是2x1027吨,水星是3x1020吨。即便这两个质量看上去已经很大了,但我们还是很难测量到太阳-水星这个系统辐射的引力波,原因就是水星到太阳的距离有六千万公里,这个系统的尺度太大了。

  3、形状不对称。和太阳比起来,中子星更重,尺寸也小多了。但是单个中子星还是难以产生强的引力波,原因就是中子星太圆。这也是为什么今天我们还没有探测到中子星自转产生的引力波。

  4、距离不太遥远。关于这一点,大家下次接电话的时候把听筒拿的离耳朵远一点就有体会了。

  宇宙中能够同时满足上面四个条件的天体并不多。在科学家“提名”的候选天体中,两个黑洞合并是排名比较靠前的。果然,第一起引力波事件就是双黑洞合并事件。不过,让大多数天文学家大跌眼镜的是,我们第一次“听”到的黑洞竟然和以前“看”到的完全不一样。

  在“看”宇宙时代,我们发现了一类比太阳重10倍左右的黑洞,它们都寄居在一种叫做“X射线双星”的天体中。天文学家推测,这类黑洞应该是大质量恒星死亡后留下来的遗骸。在教科书中,这类黑洞被称为“恒星级黑洞”。在学术会议上,天文学家经常一本正经的说:“众所周知,大质量恒星死亡后会形成黑洞,其典型质量是10倍太阳质量。”

  LIGO“听”到的第一起双黑洞合并事件就颠覆了天文学家对恒星级黑洞的定义。在这次事件中,一个黑洞比太阳重36倍,另一个比太阳重29倍!这样重的黑洞,在X射线双星中前所未见。一时间,整个天文届为之震动。上面那句“众所周知”,从此也在学术圈销声匿迹了。

  天文学家为什么相信LIGO探测到了超重的黑洞呢?换句话说,从引力波怎么就能够得知黑洞的质量呢?答案就在引力波的频率上。引力波的频率直接反映了两个黑洞相互绕转的快慢。粗略来说,黑洞越重,合并前两个黑洞绕转地就越慢,因此引力波的频率也越低。反之,黑洞越小,产生的引力波频率越高。通过频率的高低,我们可以判断黑洞的大小,正如通过音调的高低,我们可以辨别小提琴和大提琴的声音一样。

  截止到2018年底,LIGO和欧洲的Virgo探测器通过联合观测,又搜寻到了9起比较确信的双黑洞合并事件,外加一起双中子星合并事件。在这9起双黑洞合并事件中,7起都含有超重黑洞,有些黑洞在合并后甚至重达80倍太阳质量。(图2)

引力波天文学:“听”见不一样的宇宙

图2: LIGO/Virgo探测到的双黑洞(蓝色)和双中子星(橙色)。紫色圆点代表X射线双星中的黑洞,黄色圆点代表已知的中子星。(Credit: LIGO/VIrgo/Northwestern Univ./Frank Elavsky)

  为什么这类超重黑洞从没在X射线双星中被“看见”过呢?超重的黑洞究竟是怎么形成的?它们真的是大质量恒星死亡后的产物吗?我们“听”到的确实是超重双黑洞的“原声”吗?有没有可能是“失真”了的声音呢?还有其他方法能够证明超重黑洞的存在吗?关于这些问题,天文学家还没有明确的答案。

  但有一点是大家的共识,那就是,人类观察宇宙的“默片”时代已经终结了。我们步入了“有声电影”时代,下一步自然是要提升视听感受。在“听觉”方面,通过降低引力波探测器的噪声(如LIGO/Virgo的升级计划,以及未来的Einstein Telescope),我们可以“听”得更远。通过建造新的地面引力波探测器(日本的KAGRA,印度计划中的IndIGO等),我们可以“听”见“立体声”,从而辨别引力波天体的方向。通过在太空搭建引力波探测器(如欧美的LISA,日本的DECIGO,中国的“太极”和“天琴”计划等),我们可以“听”到更加低沉的“bass”,从而找到宇宙中更遥远、更重的黑洞。这些工作,都在陆续地展开。

  中国人有句话,叫做“兼听则明”。这里调整一下标点,兼“听”则明,拿来比喻今天的引力波天文学,恰好合适。

  作者:陈弦,系北京大学物理学院天文系助理教授,长期从事和黑洞附近的动力学有关的理论研究,对辐射引力波的天体尤其感兴趣。

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