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探测宇宙的一种方式:引力波之力

2017-11-02 来源: 作者:

爱因斯坦预言在时空中会存在引力波,它们可以把天文学家带入宇宙中最剧烈爆发事件、黑洞碰撞乃至宇宙本身大爆炸的中心。

  引力会伴随我们一生。它是维系桥梁和建筑的基础,后两者构成了我们的城市和运输系统的要件。如我们所知,它还维持着生命赖以生存的大气。但自牛顿因(可能是杜撰的)苹果而获得灵感之日起,引力的起源至今仍是个谜。

  那么,天文学家是否有可能像在可见光和其他电磁波段进行常规观测那样来观测引力本身呢?理论告诉我们,引力会在宇宙时空中制造出类似波浪的涟漪。就算是一只麻雀拍打翅膀,也能产生会引起空间和时间微小波动的引力波。不过,科学家们探测到这些扰动的最佳机会还是在更大得多的尺度上。

  如果能直接观测到引力波,那将打开一扇通往爱因斯坦广义相对论最强检验的大门——两颗中子星间的碰撞,宇宙深处星系碰撞而引发的超大质量黑洞并合,甚至还有大爆炸的涟漪。引力波的观测将帮助天文学家确定中等质量黑洞是否真的存在。在更大的尺度上,科学家还将有可能探测到全新且完全意想不到的引力源——这是开启一个新的领域时经常发生的事情。

  传播的辐射

  几千年来,我们对宇宙的认识几乎都来自电磁辐射所携带的信息。电磁波由沿着两个轴振荡的电场和磁场组成。几十年来,地面上的探测器还试图探测难以捉摸且十分微弱的引力波,它会在三个几何坐标轴的方向上振动并传播,从本质上讲其实就是时空本身的振荡。引力波是物质加速进而扰动时空所产生的。

  类似电​​磁辐射,引力辐射也会像波一样传递能量,它可能的频率范围非常巨大。低频引力波的波长较长,而高频引力波的则较短。它们的频率可以从接近0赫兹到约一千亿赫兹不等。不同的质量源会产生不同频率的引力波。恒星质量的天体,例如相互绕转的白矮星或中子星,会产生高频引力波,而质量更大的天体,例如星系中心的超大质量黑洞,则会发出低频引力波。相比质量较小的天体,质量较大的天体具有更强的弯曲时空的能力,因而可以产生更强的引力波信号。

  

 

  [图片说明]:超级计算机模拟出的两个黑洞并合是周围的时空。版权:Henze/NASA。

  最初的线索

  早在1916年,爱因斯坦就预言,物质会弯曲空间和时间,而引力辐射也会传播。但天文学家们至今仍没有直接探测到它们,不过倒是测量到了引力辐射的间接作用。

  1993年,物理学家拉塞尔·赫尔斯(Russell Hulse)和约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)因在1974年发现了一个独特的双星系统而分享了当年的诺贝尔奖。他们当时在几个月的时间里观测了一颗高速自转的中子星——被称为脉冲星——所发出的脉冲辐射,发现这颗被称为PSR 1913+16的脉冲星正在围绕另一颗不可见的中子星转动。根据PSR 1913+16的脉冲信号,赫尔斯和泰勒计算出了这两个天体的质量和轨道。

  在发现了该系统后不久,赫尔斯便离开了天文学界,但泰勒和他的同事则一直在观测这颗脉冲星。他们发现这个系统仅7.75个小时的轨道周期会随着时间的推移而衰减,它减小的方式与引力辐射效应相一致。天文学家们认为,这个系统的能量以引力波的形式流失了。

  今天,在近40年的观测之后,这两个天体之间的平均距离已经减小了136米。在大约300亿年后,这两颗中子星的轨道会收缩到零导致碰撞。在发现了PSR 1913+16之后,天文学家们还发现了其他类似的脉冲星系统。但它们都不具备这么高的观测灵敏度。

  关联和统一

  虽然已经在一些天体系统中间接探测到了引力辐射,但直接观测到引力波仍是至关重要的,因为科学家们想从根本上来了解大自然的规律,这其中也包括了引力波传播的方式。最大的一个问题是,为什么引力定律似乎游离在大自然其他日渐统一的规律之外?

  物理学的基本规律包含了四种作用力:两种核力,电磁力以及引力。前三个可以被统一到一个量子框架之下,但引力却与量子物理学不相容。我们还不知道其中的缘由。在原子的尺度上,相比于其他作用力,引力相对较弱。但在宇宙的尺度上,引力却占据了主导地位。

  迄今为止,还没有主流的科学理论能成功地统一物理学中这两个迥异的侧面。量子物理描述基本粒子。它所预言的希格斯玻色子已被找到。同样地,广义相对论也是正确的,但我们不知道它应该是爱因斯坦所提出的版本还是其他许多变体中的一个。

  为了更多地了解时空背后的作用机制,科学家的第一步就是要直接探测到引力波。但科学家的最终目标是能通过不同的机制使用不同的方式来观测天空,进而打开一扇通往宇宙的全新窗口。然而,这一切的进展并不如预期的那么顺利。

  大自然的精确时钟

  天文学家们用来探测引力波的一种方法是借助脉冲星,但并不是之前类似PSR 1913+16那样的脉冲星双星系统。相反,一些国际科学家团队一直在跟踪毫秒脉冲星。毫秒脉冲星在1秒钟的时间里能自转数百周。它们的自转非常稳定,因此通过观测这些精确时钟的微小变化,天文学家可以来寻找从它们和地球之间穿过的引力波。

  北美纳赫兹引力波天文台(1纳赫兹等于十亿分之一赫兹)会使用波多黎各的阿雷西博和美国的绿堤望远镜来开展这些观测。该项目与澳大利亚的帕克斯脉冲星计时阵和欧洲脉冲星计时阵一起构成了国际脉冲星计时阵网络。

  毫秒脉冲星的自转有可能是在双星系统中被加速的。脉冲星的伴星会演化成一颗不断膨胀的巨星,它的一些物质会被这颗脉冲星吸积,进而使之自转加快。不过,要想把自转周期加速到毫秒的水平会需要10亿年的时间。

  

 

  [图片说明]:通过监测毫秒脉冲星信号的微小变化,天文学家可以由此来探测低频引力波。版权:David Champion。

  天文学家会对毫秒脉冲星做长期的监测,寻找在数月或​​数年的时间里它们信号的相关性。地球周围的时空会因为引力波而在某个方向上发生了轻微的扭曲。当引力波从地球附近穿过时,在天空中靠得较近的两颗脉冲星所发出的信号可能会以彼此相关的方式提前或者推迟抵达我们。科学家正在几十个纳秒(1纳秒等于十亿分之一秒)的精度上来寻找脉冲星信号中的这些变化,这些变化可能是由众多超大质量黑洞碰撞所发出的随机背景引力波所造成的。

  仅在过去的十年间,实现探测引力波所需的计时观测精度——对几十颗脉冲星达到100纳秒或更小——才变得似乎是可能的。但眼下还做不到这一点。

  北美纳赫兹引力波天文台最有望探测到的引力波可能来自处于并合最终阶段的两个超大质量黑洞,此时它们相互绕转的轨道周期仅为1年左右。因巨大的质量和加速度,它们会发出波长极长(频率极低)的引力波,正好北美纳赫兹引力波天文台所敏感的波段上。

  这些引力波的频率为纳赫兹,仅为调幅广播信号的约千万亿分之一。天文学家希望能在未来的几年里探测到它们。此后,下一个目标将是测量不同频率上的引力波信号强度,以此来更多地了解引力波源。

  其他现有设备

  造价3.6亿美元的激光干涉引力波天文台(LIGO)是迄今最雄心勃勃的地面引力波直接探测计划。它花了近5年的时间来搜寻高频率(10~10,000赫兹)引力波辐射,目前正处于耗资2.05亿美元的升级改造中。地面引力波探测器可探测的引力波源包括碰撞中的脉冲星双星、并合中的恒星质量黑洞、Ⅱ型核心坍缩超新星,甚至还有中子星表面的突变。

  LIGO在美国华盛顿州放置有一个4千米长和一个2千米长的探测器检测器,在美国路易斯安那州则放置了另外一个4千米长的探测器。每个探测器都有两条彼此垂直的激光臂组成,形成一个L形。激光会在LIGO长长的真空管中来回穿梭。

  这些激光会被精细地调整,使得它们波谷和波峰能相互抵消,确保没有光线会照射到LIGO的光子计数器上。垂直通过这两条激光臂的引力波会在拉伸其中一条内激光的同时压缩另一条中的激光。这种探测方法的核心是利用激光本身的干涉特性。路经的引力波会瞬间使得激光发生干涉,使得一些光子打到计数器上。这些光子由此记录下了引力波。

  

 

  [图片说明]:位于美国华盛顿州的LIGO。版权:LIGO。

  虽然LIGO于2010年结束的初次运转并没有探测到引力波,但它的成功运转为其升级改造奠定了基础,升级之后其灵敏度预期会提高1,000倍。在过去的几年中,LIGO团队一直在完善反射镜,提高激光功率,改造悬挂系统。2016年2月该团队宣布已探测到来自黑洞并合的引力波。

  意大利和德国也拥有地面引力波探测器。意大利的室女座引力波探测器位于比萨附近,配有长3千米的垂直激光干涉臂,于2007年开始收集科学数据。它尚未探测到任何的引力波,但负责它运转的欧洲引力天文台正在对其进行升级,预计会在2015年底前完成。

  此外,德国和英国联合建造的引力波探测器GEO600位于德国汉诺威附近,臂长600米。它与LIGO进行了多次联合科学运转,已完成了部分升级改造。不过,一些科学家认为,相比真正的引力波探测器,GEO600的研发味道更浓一些。

  地球的限制

  这一代的地面探测器虽在逐步提升其所需的引力波探测能力,但来自地球的背景噪音却是它们与生俱来的缺陷。对于地面上的引力波探测来说,其主要的限制之一便是在低于10赫兹的频率上你会湮没在由人、交通工具、地质活动甚至风所产生的噪音中。

  在太空中不会有这么多的噪音,更易于探测低频引力波,但却很难把激光的功率做大,而这是在高频段获得更高灵敏度所必需的。因此,为了探测高频引力波,需要一个由新一代的高灵敏度地面引力波干涉仪所构成的全球性探测网。这可以让科学家们能真正协调引力波天文台和电磁波望远镜之间的观测活动。他们的目标是,通过测定引力波到达不同地面探测器的时间,天文学家可以更好地确定这些引力波的天体物理起源。

  对宇宙中黑洞类型、形成和并合的认识一直是引力波研究的抓手。在这个领域中有很多的猜测,但却几乎没有任何数据。

  飞向太空

  引力波科学家们长期以来一直就谋划着进军太空。在20世纪90年代初,欧洲空间局(ESA)和美国宇航局(NASA)就联合提出了一个空间任务——空间激光干涉天线(LISA)。自那时起,这个项目已发生了重大的变化。NASA已宣布退出,ESA则旨在推动计划于2034年发射的空间引力波天文台,期间可能会有NASA的少量参与。该项目的规模会大幅缩小。虽然演变后的LISA(eLISA)任务仍是有力的竞争者,但在未来几年中它并不会正式参与2034年空间任务的角逐。

  eLISA的现有架构仍类似于在20世纪90年代所提出的LISA方案。LISA的设计构想包括三个直径1.8米的圆柱形航天器,在绕太阳公转的轨道上它们会构成一个边长为500万千米的等边三角形。与之不同的是,eLISA将由一个母航天器和两个子航天器构成一个边长为100万千米的V字形。虽然这些变化——从本质上让该天文台的规模缩减了5倍——意味着该任务的灵敏度会降低,但它也使得由一个空间机构来实施这一计划变得可能。

  eLISA到太阳的距离和地球的相当,它会尾随在地球后面2~5千万千米处,和地球绕太阳的轨道面呈60°的夹角。 eLISA会使用两个1瓦的红外激光器,利用类似LIGO的方式来判断激光是否干涉,以此来寻找引力辐射。eLISA和原先的LISA任务都对频率在0.001~0.1赫兹间的引力波敏感。这些低频引力波可能起源自我们银河系中的远距白矮星双星系统、其他星系中心超大质量黑洞的并合。如果足够幸运,兴许还能看到来自宇宙大爆炸本身的引力波。

  

 

  [图片说明]:LISA的艺术概念图。版权:ESA/NASA。

  无论是LISA还是eLISA,都是通过测量自由飞行的检验质量间距离的变化来探测引力波的。检验质量是一个边长为4厘米的抛光金铂立方体,被放置在3个航天器中做“无拖曳”轨道飞行。科学家们会测量每个检验质量的位置。这些立方体要经过消磁处理,从而磁场和来自太阳带电粒子的作用可以被忽略,否则后两者所产生的效应将与引力波的作用极难区分。基本的想法是让这些检验质量的运动仅受到太阳引力的影响。为此,eLISA会使用推进器来对航天器实施轨道微调,确保检验质量处于“自由落体”状态。

  eLISA方案的具体细节要到2020年才能完善,科学家们都希望NASA也能加入,以便提升该任务的探测能力。如果NASA同意参加,那eLISA任务的概念兴许能演变回原来的LISA计划。

  天文学家预期,只要观测几个月的时间,类似LISA这样的任务就会探测到数千个引力波源。这些引力波源包括致密中子星双星系统,并合的超大质量黑洞以及落向超大质量黑洞的恒星质量黑洞。

  2015年底,ESA发射了LISA探路者任务。这个航天器将对该任务所需的最关键技术进行测试,包括激光干涉仪、自由下落检验质量、无拖曳控制机制,消磁技术以及噪音水平等。

  去往宇宙的开始

  为了直接探测到来自宇宙大爆炸的引力波,天文学家们不得不放眼未来。作为几年前其“超越爱因斯坦计划”的一部份,NASA资助了一项概念研究,来确定怎样才能破解覆盖在时间本身开端上的铁幕,把宇宙学的回溯时间推到甚至比宇宙微波背景——出现在宇宙大爆炸之后约38万年——更早的时期。宇宙微波背景辐射弥漫于整个宇宙之中,标志着电子与原子核结合且光子第一次可以自由穿行的那一刻。

  这项概念研究提出了大爆炸观测者任务,计划在21世纪中叶发射。类似于LISA但更宏大,大爆炸观测者需要3个航天器星座,而不是仅仅3个航天器。它们都将围绕太阳公转,但所探测的引力波频率则在0.1~10赫兹之间,这个频率范围介于类似LISA这样任务的和地面干涉探测器的之间。

  来自宇宙大爆炸的引力波极有可能是随机的,会跨越巨大的波长范围,从可观测宇宙的大小到数千千米甚至更小。理论上地面引力波探测器,例如升级后的LIGO,也可以探测到它们。

  

 

  [图片说明]:当引力波通过LISA或者eLISA时,它会产生2种不同的振荡模式。在图中分别用“+”和“×”表示。版权:ESO。

  这些引力波能让天文学家回望始于大爆炸之后瞬间的超高速膨胀时期——被称为暴胀。发生时间甚至更早的事件——宇宙大爆炸本身——也可能会产生引力波。如果科学家能探测到这些引力波,他们就可以为远超地球上粒子加速器所能企及的基本相互作用提供线索。

  虽然直接观测到这些原始引力波可能仍需要几十年甚至更长的时间,但就在2013年初宇宙学家宣布,在宇宙微波背景中看到了暴胀引力波所留下的印迹。由位于南极的实验装置BICEP2所看到的这些螺旋形样式被认为是极早期时空涟漪的遗迹。

  但是,这一发现——已被证明是银河系内的尘埃,但即便被证实——仍是对原初引力波的间接探测。科学家们可以回溯的宇宙时间仍止步于宇宙微波背景。宇宙真正的起点和宇宙微波背景之间依然有相当大的空白。对于在这个空白期内发生了什么,我们所知甚少,因此所能获得的有关这一时期的任何数据都是非常有价值的。

  然而,即使探测到了这些古老的引力波,也很难判断它们到底是由宇宙大爆炸还是由宇宙暴胀所产生的。这些信号自身的特性并不会告诉我们它们起源自何时何地。

 

  不过,即便如此,只要科学家们能够真正在天文学中自如地运用引力波辐射,它就一定会在这个领域中带来翻天覆地的变化。不受干扰,以光速传播,在宇宙中亘古穿行,这些特性将使得引力波彻底改变天文学,揭示出一个我们没有其他手段所能目睹的新世界。

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