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

  • 东北新发地:年货满仓年味浓

  • 西康高铁全线铺轨完成

独家策划

推荐阅读
近日,国家管网集团西部管道公司成功完成所辖新疆段天然气、原油、成品油管道输送全生命周期碳足迹核算,获得中国质量认证中心颁发的“产品碳足迹证书”。
2026-02-06 09:18
近日,中国农业科学院蔬菜花卉研究所蔬菜分子设计育种创新团队研发出新型植物基因研究工具——对目标DNA序列的邻近空间蛋白标记系统。
2026-02-06 09:38
因为像了解自己的孩子一样了解黑土地,韩晓增有个外号——“黑土地的营养搭配师”。他带领团队精心配制出一套营养搭配的“秘方”。
2026-02-06 09:33
蚊种与病毒之间存在高度匹配关系。1901年,公共卫生与热带医学领域先驱沃尔特·里德证明,蚊子是传播黄热病的元凶。科学界传统观点认为,病毒以颗粒形式在蚊子体内传播,却始终不知道真正的“病毒受体”是什么。
2026-02-06 09:31
科技创新和产业创新的深度融合,不仅是构建现代化产业体系的战略举措,更是贯彻新发展理念、推动高质量发展、加快构建新发展格局的重要抓手。
2026-02-06 09:13
2025年我国人均粮食占有量达到508.9公斤,远超国际公认的400公斤的安全线,粮食等重要农产品供给丰富、市场平稳、储备充足。
2026-02-05 10:15
一代代南来北往的科研“候鸟”安心在三亚当起了“留鸟”,南繁热土上,他们用坚守加速农业科研进程,守护着国家粮食安全的希望。
2026-02-05 10:06
工业和信息化部等八部门近日联合印发《汽车数据出境安全指引(2026版)》,推动建立高效便利安全的汽车数据跨境流动机制,提升汽车数据出境便利化水平。
2026-02-05 10:03
月球表面的年龄是揭示其演化奥秘的基础。对于月球上未采样的区域,科学家主要依靠统计撞击坑的密度来估算年龄:区域越古老,撞击坑通常越密集。
2026-02-06 09:14
近日,内蒙古大学化学化工学院刘健教授、王艳琴副教授团队在节能制绿氢联产高附加值化学品领域取得重大突破,在《自然》子刊发表研究成果。
2026-02-05 10:01
近日,四川达州宣汉县深层海相钾盐资源分采分运攻关实验配套装置顺利完成试车,成功提取出高纯度氯化钾产品。
2026-02-05 10:01
我国互联网事业的蓬勃发展,既为“十四五”收官交出了亮眼答卷,也为“十五五”布局奠定了坚实基础。
2026-02-05 10:12
L5点位于地球的“后方”,位于该点的人造探测器无需消耗太多燃料就可以稳定长期驻留,因此“羲和二号”的设计寿命将长达7年。
2026-02-04 09:13
《月令七十二候集解》记载:“立,建始也”,“立”即“开始”之意。那么,立春的“立”,意味着怎样的开始?
2026-02-04 09:34
寒冬腊月,新春的氛围已在市井烟火中渐渐浓厚。进入寒假的第7天,在位于青岛的山东科技大学土木工程与建筑学院办公室里,教授李为腾和研究生杨光辉正在讨论工作。
2026-02-04 09:27
进藏工作10余年,那曲市农牧业(草业)科技研究推广中心畜牧师何世丞感慨颇深:“保护这片广袤而脆弱的草原,挑战不小,但我们一直在行动。”
2026-02-04 09:32
桥式起重机的轰响打破宁静,长十余米、重数十吨的火箭芯一级被缓缓吊离托座。操作手董磊手持控制设备,眼睛紧盯箭体,每一个动作都专注、沉稳。
2026-02-04 09:20
在人工智能(AI)和大数据时代背景下,高性能计算的战略地位已可与高能望远镜、同步辐射光源和粒子加速器等重大科研基础设施相提并论
2026-02-03 14:09
2月1日,农业农村部发布的《农产品质量安全承诺达标合格证管理办法》(以下简称《办法》)正式施行,我国农产品全面启用新版“身份证”——农产品质量安全承诺达标合格证。
2026-02-03 09:48
近日,记者从中国科学院空天信息创新研究院(以下简称空天院)获悉,该院成功开展超百G星地激光通信业务化应用实验,通信速率达到120吉比特每秒(Gbps)。”
2026-02-03 09:40
加载更多