正在阅读: 引力波天文学:“听”见不一样的宇宙
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

引力波天文学:“听”见不一样的宇宙

来源:光明网2019-06-14 10:38

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  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。

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 重庆巴南:“花海经济”扮靓乡村

  • 浙江:智能装备“上岗”市域铁路施工

独家策划

推荐阅读
杂交稻的大面积推广显著提升了水稻产量,但其生产长期依赖程序复杂、成本高昂且需年年重复的杂交制种过程。
2026-03-23 09:40
近日,澳大利亚一位机器学习领域科技企业家,通过人工智能大模型自行设计肿瘤疫苗,救治自家患癌宠物犬的故事广受关注。
2026-03-23 09:39
记者从中国石化获悉,我国首套全链条国产化溶液法聚烯烃弹性体工业化装置在天津进入试运行,相关生产技术取得原创性突破,将有效缓解我国光伏等战略性新兴产业对该材料的进口依赖。
2026-03-23 09:33
中国气象局日前发布了2025年度“中国十大气象科技进展”。3年来,评选工作有效推动气象科技成果涌现,助力资源共建共享,大力弘扬科学家精神,促进气象教育科技人才一体推进,持续激发科技能力和人才活力。
2026-03-23 09:32
3月22日是第三十四个“世界水日”,第三十九个“中国水周”同步开启。以非常规水利用为例,我国近年来在农业节水增效、工业节水减排、城镇节水降损等领域取得显著成效。
2026-03-23 09:28
“遥感是人们在距离和感官上的延伸,是认知地球、探查资源、监测环境的重要技术手段。本次活动由全国科学道德和学风建设宣讲教育领导小组主办,中国科协科学技术传播中心、湖南省科学技术协会、中南大学、光明网联合承办。
2026-03-20 09:42
每年春季,花粉过敏会给不少人带来困扰。该检测试剂盒采用微量血清特异性洋白蜡花粉过敏原IgE定量检测,用以辅助诊断,成为目前用于花粉症精准诊断的主要方法。
2026-03-20 09:39
3月18日,记者从新疆电力交易中心有限公司获悉,自2010年启动“疆电外送”以来,新疆累计外送新能源电量已达3043.6亿千瓦时,约占总外送电量的三成。
2026-03-20 09:39
吕小康:从现实语义上看,情感AI既指能够识别、理解、模拟和响应人类情感的人工智能技术,也指基于这类技术设计和开发的情感智能体。吕小康:为引导青年群体健康使用情感AI,还需要进一步加强协同治理,培育积极有益的陪伴型人工智能应用环境。
2026-03-20 09:36
据3月17日农情调度,全国早稻育秧已三成半,同比略快。据介绍,北方冬小麦当前的田管重点是继续促进弱苗转化升级,抓好病虫防控,防范春旱、倒春寒、干热风等灾害。“近日国家启动投放1000余万吨氮磷及复合肥储备,作为国家化肥储备重要承储主体,全国供销合作社系统农资企业积极按要求将储备化肥及时集中投放市场,稳定市场价格。
2026-03-20 09:36
小时候我们背过一句话:万物由原子组成。这一路走来,从质子的异常,到夸克模型的提出,再到量子色动力学和标准模型的建立,人类把物质拆解到了17种基本粒子的层级。曾获国家六部委回国人员成就奖、德国洪堡研究奖、吴有训物理奖、中国科学院优秀研究生导师奖。
2026-03-20 09:35
吴晓民(右一)团队在野外工作。藏羚羊曾广泛分布于高原全境,其漫长的演化史与复杂的种群波动,始终是全球动物保护与演化生物学领域关注的焦点。研究团队还通过生态位模拟,锁定了藏羚羊的生命庇护所——青藏高原北部的可可西里、羌塘高原等区域。
2026-03-19 10:11
通知明确,各城市群应优先选择具备条件的燃料电池汽车、绿色氨醇、氢基化工原料替代、氢冶金以及掺氢燃烧等应用场景开展试点,积极探索氢能创新应用场景,形成“1个燃料电池汽车通用场景+N个工业领域应用场景+X个创新应用场景”的氢能综合应用生态。通知要求,氢能综合应用试点以城市群为主体开展申报,城市群应立足自身资源条件,因地制宜、宜氢则氢,避免各场景一拥而上、低水平重复建设。
2026-03-19 10:10
2026中关村论坛年会将于3月25日至29日在北京举办。
2026-03-19 10:04
日前发布的《中国地热产业发展报告2025》显示,我国地热产业多元化利用格局正在形成。在地热供暖发展带动下,我国地热产业规模长期稳居世界第一。
2026-03-19 10:00
由于土豆块茎外形粗陋、埋于地下,又不见于《圣经》,一度被殖民者视为“魔鬼之根”或带毒之物。另一方面,随着城市扩张与人口增长,粮食压力加剧,土豆因高产、耐寒、适宜在小块土地种植而被人们重视。
2026-03-19 10:00
作者:刘琦 仇焕广(分别系中国人民大学助理教授,辽宁大学党委常委、副校长)  今年《政府工作报告》提出,“推进先进适用农机装备研发应用,打通农业科技推广‘最后一公里’”。
2026-03-19 09:59
为此,生态环境法典针对重点流域、重要生态单元设置专门规范,明确长江、黄河等重点区域一体化保护要求,建立协同机制。生态环境法典第三编第六章“生态退化的预防和治理”,整合水土保持法、防沙治沙法的有关规定,分为水土保持、防沙治沙两节。
2026-03-18 09:38
“‘两弹一星’不是孤立的科技突破,而是面向国家需求‘从0到1’的科技创新。本次活动由全国科学道德和学风建设宣讲教育领导小组主办,中国科协科学技术传播中心、安徽省科学技术协会、安徽农业大学、光明网联合承办。
2026-03-18 09:27
对于1型糖尿病患者而言,胰腺中那些负责分泌胰岛素、调节血糖的胰岛β细胞,被自身免疫系统错误地当成了“入侵者”,日复一日地遭受攻击,直至彻底损毁。这3个病例,分别代表中国乃至全球再生医学领域的3个“首次”——世界首例自体、中国首例异体、世界首例青少年再生胰岛移植治疗1型糖尿病。
2026-03-18 09:27
加载更多