編者按：
LIGO（激光干涉引力波天文臺）昨晚舉行了一場舉世矚目的新聞發布會，宣布第一次“聽”到了時空中的漣漪——來自兩個黑洞最后并合瞬間的引力波。它證實了阿爾伯特·愛因斯坦在1915年的廣義相對論的一個重要預言,并打開了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口。為此LIGO寫了一篇新聞稿，堪稱經典。
文 |?LIGO科學合作組織
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有史以來,科學家第一次觀測到了時空中的漣漪——引力波,這一來自遙遠宇宙的災變性事件所產生的信號。這一探測證實了阿爾伯特·愛因斯坦在1915年的廣義相對論的一個重要預言,并打開了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口。
起源于劇烈天體物理過程的引力波攜帶著關于其源頭和關于引力的獨一無二的信息。物理學家們確信他們探測到了來自兩個黑洞最后并合瞬間的引力波。這兩個黑洞最終形成了一個質量更大快速旋轉的黑洞。這一現象長久以來就被理論預言,然而卻從未被觀測到。
這一引力波信號于世界協調時間2015年9月14日9:51(北京時間當天下午5:51分),由分別位于路易斯安那州列文斯頓(Livingston,Louisiana)和華盛頓州漢福德(Hanford,Washington)的激光干涉引力波觀測臺(LIGO)的一對探測器探測到。
LIGO天文臺是由美國國家科學基金資助,由加州理工和麻省理工構思、建造并運行的。這一發現是由LIGO科學合作組織(包含GEO600組織和澳大利亞干涉引力天文協會)以及Virgo組織使用來自兩臺LIGO探測器的數據后做出的。本次發現發表于物理評論快訊(Physical Review Letters)期刊。
基于觀測到的信號,LIGO的科學家們估算出兩個并合黑洞的質量大約分別是太陽質量的29和36倍,并合發生于13億年前。大約三倍于太陽質量的物質在短短一秒之內被轉化成引力波,其功率峰值是整個可見宇宙總功率的50倍。這一引力波首先到達Livingston探測器,7毫秒之后到達Hanford探測器,這意味著引力波源位于南半球天區。
根據廣義相對論,一對黑洞在相互繞轉過程中通過引力波輻射而損失能量,逐漸靠近。這一過程持續數十億年,在最后幾分鐘里面快速演化。在最后一秒鐘內,兩個黑洞以幾乎是一半光速的超高速度碰撞在一起,并形成了一個質量更大的黑洞。根據愛因斯坦的E=mc2公式,這個過程中一部分的質量轉化成了能量,而這些能量在最后時刻以引力波超強爆發的形式輻射出去。LIGO觀測到的引力波信號就是這樣來的。
20世紀70年代,羅素赫爾斯和約瑟夫泰勒給出了引力波存在的第一個證據。他們在1974年觀測到一個脈沖星與另一個天體相互繞轉組成的雙星系統,后來發現第二個天體是一個中子星。這個系統由于輻射引力波,導致脈沖星的軌道緩慢地縮小,觀測到的軌道變化率與相對論的預言高度一致。赫爾斯和泰勒的這項工作獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。這個赫爾斯-泰勒雙星系統將于3億年之后并合形成一個黑洞。在最近的這個發現里,LIGO直接見證了兩個黑洞組成的雙星系統的壽終正寢,在雙星系統形成單個黑洞的瞬間投下匆匆一瞥。
“我們對于引力波的觀測完成了一項50年前就設定的偉大目標。那就是直接探測到這一難以捕捉的現象,更好地理解宇宙,以及愛因斯坦廣義相對論100周年之際恰如其分地續寫愛因斯坦的傳奇。”加州理性學院的戴維·萊茲David H.Reitze,LIGO天文臺的執行官,如是說。
這一發現得益于高新激光干涉儀引力波天文臺(Advanced LIGO)探測能力的大大提升。相比于第一代LIGO探測器,Advanced LIGO的重要升級工作使得儀器的靈敏度大大增強,從而大大增加了可探測的宇宙空間,也直接導致在其第一次觀測運行中發現引力波。美國國家科學基金會主導了高新激光干涉的財政支持。德國的馬克斯-普朗克學會,英國的科學與技術設施委員會和澳大利亞的澳大利亞研究基金會等資助機構均對本項目作出了巨大貢獻。使高新探測器林敏度大大提高的幾項關鍵技術由德國-英國的GEO合作組織開發并測試。主要的計算機資源由AEI的Atlas機群,LIGO實驗室,雪城大學和威斯康星大學密爾沃基分校貢獻。一些大學設計、建造并測試了Advanced LIGO的關鍵部分:澳大利亞國立大學,弗羅里達大學,斯坦福大學,紐約哥倫比亞大學和路易斯安那州立大學。
“1992年批準LIGO最初的基金項目是NSF有史以來最大的一筆投資”France Córdova,NSF主任如是說。“那是一項有很高風險的資助,但這正是NSF需要承擔的項目。我們資助一定會有所發現,但是還在探索歷程上基礎科學和工程。我們資助開路先鋒。這就是為什么美國依然是全球先進知識的領導者的原因。”
LIGO的研究工作由LIGO科學合作組織(LSC)完成,這一合作組織包含來自美國和其他14各國家的1000多名科學家。LSC中的90多所大學和研究所參與研發了探測器所使用的技術,并分析其產生的數據;在組織中,有約250名做出重要貢獻的成員是學生。LSC探測網絡包括LIGO干涉儀和GEO600干涉儀。GEO團隊包括來自德國馬克斯-普朗克引力物理研究所(阿爾伯特·愛因斯坦研究所(AEI)),漢諾威萊布尼茲大學與格拉斯哥大學,加迪夫大學,伯明翰大學,其他英國的大學以及西班牙的巴利阿里群島大學。
“這項探測是一個新紀元的起點:引力波天文學研究領域現在終于不再是紙上談兵了”,LSC發言人,路易斯安那州立大學物理與天文學教授Gabriela González如是說。
LIGO這種用激光干涉探測引力波的方法最初是在上世紀80年代提出的,主要的提出人有MIT物理教授、榮休教授雷納·韋斯(Rainer Weiss),加州理工的理查德·費曼理論物理講座教授、榮休教授基普·索恩(Kip Thorne)以及同樣來自加州理工的物理教授、榮休教授羅納德·德雷弗(Ronald Drever)。
“這項發現的內容完美地被100年前愛因斯坦發表的廣義相對論所描述,這也是第一次廣義相對論在強引力條件下的檢驗。如若愛因斯坦泉下有知,真不知道他會有什么反應”,韋斯說。
“通過這項發現,我們人類開啟了一場波瀾壯闊的新征程:一場對于探索宇宙那彎曲的一面——通過彎曲時空而產生的事物和現象——的征程。黑洞的碰撞和引力波是首當其沖的完美范例”索恩說。
室女座引力波探測器(Virgo)的研究工作由Virgo科學合作組織完成,這一組織包含250多名物理學家和工程師,分別隸屬于18個不同的歐洲的實驗室,包括法國國家科學研究中心(CNRS)的6家研究所、意大利國立天體物理研究所(INFN)的8家研究所、荷蘭國家核物理及高能物理研究所、匈牙利維格納研究所,波蘭引力研究組和安置室女座引力波探測器的歐洲引力天文臺。
Virgo的發言官富爾維奧·里奇(Fulvio Ricci)稱:“這是物理學的重要里程碑,但更為重要的是,對于LIGO和Virgo來說,這僅僅是它們將開創的全新而令人激動的物理發現的開端。”
馬克斯-普朗克引力物理研究所(阿爾伯特·愛伊斯坦研究所)的所長布魯斯·艾倫(Bruce Allen)補充道“愛因斯坦當初認為引力波太過微弱而無法探測,并且他從未相信過黑洞的存在。不過,我想他并不介意自己在這些問題上弄錯了。”
“Advanced LIGO探測器是科學與技術上的一項壯舉,匯聚了全球技師、工程師和科學家團隊的通力合作才得以實現,”Advanced LIGO的項目領頭人,來自麻省理工的戴維·休梅克說道,“我們及時、同時也在預算內完成了這項美國國家科學基金會資助的項目,對此我們感到無比自豪。”
在LIGO的兩個天文臺中,全長4公里的L形的LIGO干涉儀將激光分成兩束,并在兩個干涉臂之間來回穿梭(1.2米直徑的管道內保持著近乎完美的真空)。兩束激光可以用來以極高的精度測量干涉臂盡頭處鏡子的位置。根據愛因斯坦的理論,當引力波經過探測器的時候,鏡子之間的距離將會有一個極微小的改變。而即使這個改變量小至質子直徑的萬分之一(10-19米),也可以被探測出來。
“要實現這一里程碑式的美妙發現,需要全球的科學家們一起合作——在GEO600探測器上開發出來的激光與懸掛減震技術使得Advanced LIGO成為了有史以來人類建造的最為精妙、靈敏的引力波探測器。”格拉斯哥大學物理與天文教授希拉·羅恩(Sheila Rowan)如是說。
獨立而又相距極遠的天文臺,對于引力波事件的方向定位,以及排除局部噪音、確認信號來自空間而言,非常重要。
“但愿這第一次的觀測能夠推動全球引力波探測器網絡的建設工作,并在多信使天文學的時代里加速實現源的定位,”澳大利亞國立大學的引力物理中心主任,物理學教授戴維·麥克萊蘭(David McClelland)評論道。
（責任編輯 陳曉雪）
出品 | 科普中國
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