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    引力波天文学:“听”见纷歧样的宇宙


    admin| 更新时间:2019-07-31 17:28|点击数:未知

    借助这些仪器,今天的天文学家们已经能够在全电磁波对宇宙进走不悦目察,“望”到吾们的先人望不到的宇宙。(如图1)

    图1:银河系在分别电磁波段照的照片。可见光波段的照片在第八走。(Credit: NASA)

    宇宙中有异国吾们“望”不到的地方呢?公元2015年9月14日将永载史册,由于这镇日,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“望”到的,是“听”到的。

    引力波是广义相对论的预言。普通的来讲,引力波就相通时空中的悠扬:时空受扰动后,这栽扰动会像波相通向张扬播,传播的速度是光速。引力波带来的成绩之一就是使两点间的距离有规律的振荡。正是始末准确测量地球上两点间距离的转折,LIGO才探测到了引力波。这是一项艰巨的义务,由于这些引力波造成的扰动幅度也许在10-21这个量级。也就是说,即使有一把1000公里的尺子,引力波始末的时候,尺子长度的转折也仅有一个质子那么幼,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?吾们的耳朵之以是能听到声音,就是由于鼓膜对空气的波行为出响答。空气振幅越大,声音听首来越响。而吾们的眼睛之以是能望见物体,是由于视网膜对光子作出响答。单位时间内撞击视网膜的光子越多,物体望首来越雪亮。由于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,以是做事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?正如人耳听不到稀奇纤细的声音相通,引力波探测器的听力也是有极限的。只有有余“清脆”的引力波源,才能被“听”见。从原理上来说,这些天体基本都要已足以下四个条件。

    1、质量大。这就是为什么固然车祸也产生引力波(振幅也许在10-41旁边),但是钻研引力波的行家清淡不关心它们,除非有卡车直接撞在了引力波天文台的外墙上(如许的乌龙事件真的发生过)。

    2、尺度幼。太阳的质量是2x1027吨,水星是3x1020吨。即便这两个质量望上往已经很大了,但吾们照样很难测量到太阳-水星这个编制辐射的引力波,因为就是水星到太阳的距离有六千万公里,这个编制的尺度太大了。

    3、形状偏差称。和太阳比首来,中子星更重,尺寸也幼多了。但是单个中子星照样难以产生强的引力波,因为就是中子星太圆。这也是为什么今天吾们还异国探测到中子星自转产生的引力波。

    4、距离不太迢遥。关于这一点,行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。时已足上面四个条件的天体并不多。在科学家“挑名”的候选天体中,两个暗洞相符并是排名比较靠前的。自然,第一首引力波事件就是双暗洞相符并事件。不过,让大无数。天文学家大跌眼镜的是,吾们第一次“听”到的暗洞竟然和昔时“望”到的十足纷歧样。

    在“望”宇宙时代,吾们发现了一类比太阳重10倍旁边的暗洞,它们都寄居在一栽叫做“X射线双星”的天体中。天文学家推想,这类暗洞答该是大质量恒星物化亡后留下来的遗骸。在教科书中,这类暗洞被称为“恒星级暗洞”。在学术会议上,天文学家频繁一本郑重的说:“多所周知,大质量恒星物化亡后会形成暗洞,其典型质量是10倍太阳质量。”

    LIGO“听”到的第一首双暗洞相符并事件就推翻了天文学家对恒星级暗洞的定义。在这次事件中,一个暗洞比太阳重36倍,另一个比太阳重29倍!如许重的暗洞,在X射线双星中前所未见。暂时间,整个天文届为之波动。上面那句“多所周知”,从此也在学术圈鸣金收兵了。

    天文学家为什么信任LIGO探测到了超重的暗洞呢?换句话说,从引力波怎么就能够得知暗洞的质量呢?答案就在引力波的频率上。引力波的频直爽接逆映了两个暗洞相互绕转的快慢。不详来说,暗洞越重,相符并前两个暗洞绕转地就越慢,因此引力波的频率也越矮。逆之,暗洞越幼,产生的引力波频率越高。始末频率的高矮,吾们能够判定暗洞的大幼,正如始末音调的高矮,吾们能够辨别幼挑琴和大挑琴的声音相通。

    截止到2018岁暮,LIGO和欧洲的Virgo探测器始末说相符不悦目测,又搜寻到了9首比较确信的双暗洞相符并事件,外添一首双中子星相符并事件。在这9首双暗洞相符并事件中,7首都含有超重暗洞,有些暗洞在相符并后甚至重达80倍太阳质量。(图2)

    图2: LIGO/Virgo探测到的双暗洞(蓝色)和双中子星(橙色)。紫色圆点代外X射线双星中的暗洞,黄色圆点代外已知的中子星。(Credit: LIGO/VIrgo/Northwestern Univ。/Frank Elavsky)

    为什么这类超重暗洞从没在X射线双星中被“望见”过呢?超重的暗洞原形是怎么形成的?它们真的是大质量恒星物化亡后的产物吗?吾们“听”到的实在是超重双暗洞的“原声”吗?有异国能够是“失真”了的声音呢?还有其他手段能够表明超重暗洞的存在吗?关于这些题目,天文学家还异国清晰的答案。

    但有一点是行家的共识,那就是,人类不悦目察宇宙的“默片”时代已经解散了。吾们步入了“有声电影”时代,下一步自然是要升迁视听感受。在“听觉”方面,始末降矮引力波探测器的噪声(如LIGO/Virgo的升级计划,以及异日的Einstein Telescope),吾们能够“听”得更远。始末建造新的地面引力波探测器(日本的KAGRA,印度计划中的IndIGO等),吾们能够“听”见“立体声”,从而辨别引力波天体的倾向。始末在太空搭建引力波探测器(如西洋的LISA,日本的DECIGO,中国的“太极”和“天琴”计划等),吾们能够“听”到更添矮沉的“bass”,从而找到宇宙中更迢遥、更重的暗洞。这些做事,都在不息地张开。

    中国人有句话,叫做“兼听则明”。这边调整一下标点,兼“听”则明,拿来比喻今天的引力波天文学,正好正当。

    作者简介

    陈弦,北京大学物理学院天文系助理教授,永远从事和暗洞附近的动力学相关的理论钻研,对辐射引力波的天体尤其感有趣。

    轮值主编:李然(国家天文台青年钻研员)

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