宇宙探索

引力波：時(shí)空漣漪如何改變天文學(xué)

2015年9月14日，人類歷史上第一次"聽(tīng)到"了宇宙的聲音。在那個(gè)清晨，美國(guó)LIGO探測(cè)器捕捉到一段持續(xù)0.2秒的微弱振蕩信號(hào)——這是兩個(gè)黑洞在13億光年之外合并時(shí)，向宇宙發(fā)出的引力波，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)旅程后抵達(dá)地球的余音。愛(ài)因斯坦在整整100年前預(yù)言的"時(shí)空漣漪"，終于被人類第一次直接感知。

微小到難以置信的震動(dòng)：LIGO探測(cè)到的引力波，使探測(cè)器4公里長(zhǎng)的臂產(chǎn)生的形變僅為10的負(fù)19次方米——相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)子直徑的萬(wàn)分之一。為了探測(cè)如此微小的振動(dòng)，LIGO使用了人類有史以來(lái)建造的最精密光學(xué)干涉儀器。

什么是引力波？

根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，質(zhì)量會(huì)彎曲時(shí)空，就像重物放在彈性布上會(huì)產(chǎn)生凹陷。當(dāng)大質(zhì)量天體加速運(yùn)動(dòng)時(shí)（比如兩個(gè)黑洞相互旋轉(zhuǎn)靠近），它們產(chǎn)生的時(shí)空曲率變化會(huì)以光速向外傳播，形成時(shí)空的波動(dòng)，這就是引力波。

引力波通過(guò)時(shí)，時(shí)空本身在垂直于傳播方向的兩個(gè)軸上交替被壓縮和拉伸。這就像宇宙在用一種全新的"語(yǔ)言"說(shuō)話，而我們之前一直缺少傾聽(tīng)它的耳朵。

引力波天文學(xué)的里程碑

1916年 — 愛(ài)因斯坦預(yù)言

廣義相對(duì)論發(fā)表，首次預(yù)言大質(zhì)量天體運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生引力波，但認(rèn)為其太微弱，永遠(yuǎn)無(wú)法被探測(cè)。

1974年 — 間接證據(jù)

泰勒和赫爾斯發(fā)現(xiàn)脈沖雙星系統(tǒng)PSR 1913+16的軌道衰減與引力波預(yù)測(cè)完全吻合，獲1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

2015年9月 — 人類首次直接探測(cè)

LIGO探測(cè)到GW150914，兩個(gè)各約30倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞并合信號(hào)，驗(yàn)證愛(ài)因斯坦預(yù)言百年后的勝利。

2017年 — 雙中子星并合

GW170817同步被引力波和多波段電磁輻射觀測(cè)，開(kāi)創(chuàng)"多信使天文學(xué)"新時(shí)代，并揭示重元素起源。

2023年 — 納赫茲引力波背景

NANOGrav等脈沖星計(jì)時(shí)陣列合作組宣布探測(cè)到低頻引力波背景，可能來(lái)自宇宙中無(wú)數(shù)超大質(zhì)量黑洞雙星。

引力波讓我們看到了什么？

引力波是一種全新的天文觀測(cè)窗口。傳統(tǒng)天文學(xué)依賴電磁輻射——無(wú)論是可見(jiàn)光、無(wú)線電、X射線還是伽馬射線，都是光子攜帶信息。但引力波穿越宇宙時(shí)幾乎不被任何物質(zhì)吸收或散射，它攜帶的是關(guān)于引力極端事件最純粹的信息：黑洞的質(zhì)量、自旋，以及時(shí)空本身的幾何。

更令人期待的是未來(lái)的空間引力波探測(cè)器。歐空局的LISA計(jì)劃將三顆衛(wèi)星部署在太空中形成250萬(wàn)公里邊長(zhǎng)的三角形干涉儀，探測(cè)低頻引力波，有望直接"聽(tīng)到"宇宙大爆炸后留下的原初引力波背景——那將是人類有史以來(lái)最古老的宇宙信號(hào)。

如果我們能"聽(tīng)"到宇宙大爆炸的引力波余響：這將把人類的宇宙觀測(cè)邊界推進(jìn)至宇宙誕生后不到一秒鐘的時(shí)刻——遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于任何光子能夠到達(dá)我們的時(shí)代，因?yàn)橛钪嬖缙谑且粓F(tuán)不透明的等離子體，光無(wú)法穿透，但引力波可以。

引力波天文學(xué)才剛剛起步。每一次探測(cè)，都是宇宙向我們發(fā)來(lái)的一封信；每一封信，都講述著億萬(wàn)光年之外無(wú)聲而壯烈的故事。

互動(dòng)話題：關(guān)于引力波，你最感興趣的是？

A

LIGO探測(cè)到的形變只有質(zhì)子直徑的萬(wàn)分之一，人類精密儀器太牛了！

B引力波能穿透一切，未來(lái)有望"聽(tīng)見(jiàn)"宇宙大爆炸的聲音！

C雙中子星并合產(chǎn)生重元素，地球上的黃金來(lái)自星際碰撞！

D愛(ài)因斯坦100年前的預(yù)言，現(xiàn)在才終于被證實(shí)，科學(xué)的長(zhǎng)跑真震撼！

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