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

  • 福建泉金客运码头迎来清明节两岸人员往来高峰

  • “地球彩带”孕育火热“花经济”

独家策划

推荐阅读
征求意见稿提出,任何组织和个人提供、使用数字虚拟人服务,不得以丑化、污损等形式侵害他人人格权,未经特定自然人同意,不得提供足以识别特定自然人身份的数字虚拟人服务。
2026-04-03 17:59
近日,《关于加快建立长期护理保险制度的意见》(以下简称《意见》)印发。《意见》明确,用3年左右时间,基本建立适应我国基本国情的长期护理保险制度。
2026-04-03 10:07
春天,风媒花粉对过敏症患者尤其是患有慢性呼吸系统病人群的影响特别大,是过敏性哮喘的高发季节。
2026-04-03 10:04
个人信息保护法施行以来,中央网信办会同有关部门持续加大个人信息保护工作力度,查处各类违法违规处理个人信息行为,督促指导个人信息处理者不断提升合规水平,取得了积极成效。
2026-04-03 09:59
日前,福建龙岩长汀县远丰优质稻专业合作社正忙着把秧苗往田里送,并用机器进行插秧。一粒粒种子在智慧育秧工厂从孕育到出苗,直至送入农田进行机械化插秧,合作社负责人傅木清都看在眼里。
2026-04-03 09:53
据报道,在3月29日结束的世界超级摩托车锦标赛(WSBK)葡萄牙站WorldSSP组别中,我国摩托车制造商“张雪机车”在该站赛事双回合正赛中相继夺冠。说起“张雪机车”的成功,不得不提到中国的“摩托之都”重庆。
2026-04-03 09:50
在一间会议室里,记者找到了研究院副院长张金友。”  为了尽快解决这个“烧脑”的问题,这段时间,张金友和团队几乎每天井场、实验室、会议室三点一线。“如果说我们正在采的页岩油是已经蒸熟的‘米饭’,那低熟页岩油就是‘生米’,需要人工在地下为其加热,催化生成石油。
2026-04-03 09:47
历时多年攻关,刘河生带领团队不断改进脑功能区定位技术,实现快速精准绘制个体脑图,并研发出可无创干预脑区功能的设备,在帕金森等疾病治疗研究中取得重大进展。
2026-04-02 10:11
我国智能航运发展现状如何?“十五五”时期如何迈向国际先进水平?记者采访了交通运输部海事局及相关企业。
2026-04-02 10:07
科技创新是发展新质生产力的核心要素,加强原始创新和关键核心技术攻关,是抢占科技制高点、实现高水平科技自立自强的根本所在。
2026-04-02 10:04
近日,国家医保局发布《医疗保障基金使用监督管理条例实施细则》,于2026年4月1日起正式施行。
2026-04-02 10:03
国家卫健委和国家中医药局1日联合印发《关于开展基层医疗卫生机构医疗质量改善三年行动(2026—2028年)的通知》,推进基层医疗质量提升,推动实现分级诊疗“基层首诊”落地。
2026-04-02 10:01
人与自然和谐共生是中国式现代化的重要特征之一,守好碧海银滩,构建人海和谐的海洋生态环境是中国式现代化的题中应有之义。
2026-04-01 09:45
2021年长江十年禁渔实施以来,禁渔秩序总体平稳,退捕渔民生计有效保障,水生生物资源衰退趋势得到决定性扭转,长江水生生物完整性指数稳步提升,取得阶段性明显成效。
2026-04-01 09:44
“过去雷达网建设主要解决‘有没有’的问题,现在AI让这张网从‘能探测’升级为‘会思考’。”在张兴赢看来,“AI正在成为工程的‘第二大脑’。”
2026-04-01 09:43
硒是人体必需的微量矿质营养素。然而,我国约7亿人口存在硒摄入不足。
2026-04-01 09:42
强对流天气的形成是水汽条件、不稳定状态的大气层结构、地形等多种条件协同作用的结果,包括雷暴、短时强降水、大风、冰雹等天气现象,具有影响快、强度强、致灾性强的特点。
2026-04-01 09:39
3月30日,世界数据组织正式成立并落户北京,理事长由中国科学院院士谭铁牛担任。这不仅是对谭铁牛个人学术成就的认可,更是国际社会对中国数据发展和治理能力的充分肯定,是中国科学家提升全球科技治理话语权的生动缩影。
2026-03-31 10:23
教育部30日印发《校园食品安全“十必须”》《学校食堂工作人员“十不准”》,进一步筑牢校园食品安全防线,明确中小学、幼儿园食堂不得制售冷荤类食品、生食类食品、冷加工糕点,不得加工制作四季豆、鲜黄花菜、野生蘑菇、发芽土豆等高风险食品。
2026-03-31 10:22
30日19时00分,力箭二号遥一运载火箭在东风商业航天创新试验区发射升空,将搭载的新征程01卫星、轻舟初样试飞船和天视卫星01星顺利送入预定轨道,发射任务取得圆满成功。
2026-03-31 10:17
加载更多