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引力波有什么用?

 大科技雜志社 2019-11-09

目前如果要評選科學(xué)界最前沿、最熱門的研究領(lǐng)域,大多數(shù)人會把選票投給引力波,因為該領(lǐng)域的科學(xué)家兩年內(nèi)4次捕獲來自黑洞的引力波、1次獲得諾貝爾獎,并且該領(lǐng)域?qū)λ锌萍及l(fā)達國家的研究計劃產(chǎn)生了影響。

又見引力波

值得慶幸的是,在剛剛過去的2017年10月,科學(xué)家又宣布,在8月17日,美國激光干涉儀引力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,簡稱LIGO)和歐洲處女座引力波天文臺(VIRGO)從兩個相隔千里之地同時首次捕獲到中子星碰撞所發(fā)出的引力波。這是科學(xué)家近一年多來第5次檢測到引力波,前4次是黑洞合并所產(chǎn)生的引力波,而這次是中子星碰撞所發(fā)出的引力波。

中子星是恒星演化到末期,經(jīng)由超新星爆炸之后,可能形成的產(chǎn)物之一。在其形成過程中,恒星會遭受劇烈的壓縮,內(nèi)部物質(zhì)中的電子并入質(zhì)子后形成中子,最終成為直徑只有十幾千米,質(zhì)量卻是太陽數(shù)倍的致密星體。中子星的許多天文現(xiàn)象很有觀測價值,比如中子星的密度極高,每立方厘米便可重達數(shù)十億噸,當(dāng)兩個致密的中子星進一步碰撞合并時,瞬間釋放出巨大能量,這時天空中一些方向的伽馬射線強度會在短時間內(nèi)突然增強,產(chǎn)生所謂的“伽馬射線暴”。

這次的發(fā)現(xiàn)過程是這樣的:

首先,LIGO與VIRGO同時捕獲到一個持續(xù)時間為1百秒左右的新引力波信號,通過對信號特點的分析,科學(xué)家認為這是兩顆中子星并合產(chǎn)生的。引力波信號到達后大約1.7秒,美國國家航空航天局(NASA)的費米衛(wèi)星探測到了一個伽馬射線暴。由于引力波信號和伽馬射線暴同一時間來自天空同一區(qū)域,科學(xué)家認為兩者必然是由同一個天文事件產(chǎn)生的。

隨后,世界各地的天文學(xué)家都接到LIGO通知,紛紛動用一些最先進的望遠鏡,比如錢德拉X射線空間望遠鏡、哈勃空間望遠鏡、甚大望遠鏡以及阿塔卡瑪大型毫米波天線陣,對相關(guān)區(qū)域展開觀測。

后續(xù)的天文觀測持續(xù)了數(shù)周,結(jié)合這1百秒左右引力波的數(shù)據(jù),科學(xué)家可以對這一天文學(xué)事件做出全面的描述。大約在1.3億年前,長蛇座尾部的“NGC4993”星系中,兩個比太陽略重的中子星不期而遇,它們剛開始相距約400千米,以每秒12圈的速度圍繞彼此轉(zhuǎn)動。巨大的質(zhì)量攪動著宇宙,傳出一陣陣時空的漣漪——引力波。

隨著中子星越靠越近,兩者轉(zhuǎn)速逐漸增加到每秒2000圈,引力波的“哨音”也愈發(fā)急促。終于,兩個中子星碰撞在一起,10億℃的高溫物質(zhì)從碰撞處噴涌出來。巨大的沖擊波也在穿過噴涌物質(zhì)時,散發(fā)出強烈的伽馬射線。這些光、宇宙射線和引力波一起,以光速行走了1.3億年,終于來到地球,被人類察覺。

“多信使天文學(xué)”

這次捕獲到中子星碰撞所發(fā)出的引力波,對天文學(xué)研究產(chǎn)生里程碑式的發(fā)展。

我們常說,天文學(xué)研究是“盲人摸象”,因為宇宙太大了,要了解它太難了,一種觀測方式往往只能了解片面的信息。從古人單憑肉眼仰望星辰,到伽利略首次用天文望遠鏡對向夜空,人類觀測宇宙的唯一方式曾經(jīng)就只有用眼去看,但這種觀測受到天氣條件的約束,而且許多星體是肉眼看不到的。

隨著科學(xué)的發(fā)展,人們逐漸認識到在可見光之外,宇宙中還存在X射線、無線電波等看不見的射線。通過探測它們,可以觸摸到宇宙這只“大象”的另外一些方面,比如黑洞的引力讓光線也無法逃脫。人們無法看見黑洞,但是它會釋放出很強的X射線,這讓天文學(xué)家得以分析黑洞的若干性質(zhì)。所以,現(xiàn)代科學(xué)家所研究的就是“電磁波天文學(xué)”——用可見光、X射線、無線電波等不同波段的電磁波來“看”天文現(xiàn)象。

然而,引力波是與電磁波本質(zhì)不同的物理現(xiàn)象,百年前愛因斯坦的廣義相對論指出,引力波記錄的是時空變化的“漣漪”,它與物質(zhì)的相互作用非常弱(不像電磁波),其攜帶的來自波源的信息恒久不變。通過這種全新的物理現(xiàn)象,科學(xué)家又有了一種“聽”天文的方式,使“電磁波天文學(xué)”會進化為“多信使天文學(xué)”,既可以利用電磁波“看”,又可以用引力波“聽”天體,并且還可以利用電磁波“看”那些用引力波“聽”到的天體。此次的“中子星碰撞”就是用這種手段來研究的——科學(xué)家僅靠引力波數(shù)據(jù)就了解了中子星碰撞的過程、確定了伽馬射線暴的起源,然后利用電磁波又“看”到這次碰撞。

接下來,科學(xué)家會用同樣的技術(shù)手段(LIGO、VIRGO)觀察更多的黑洞、中子星合并產(chǎn)生的引力波,以后可能每天都有新發(fā)現(xiàn)。同時,多信使天文學(xué)還有兩個更重要的方向要去探索。一是去探索更加微弱的引力波。按照愛因斯塔的理論,引力波信號的強弱與發(fā)射源的質(zhì)量和遠近有關(guān)。目前科學(xué)家所捕獲的引力波信號,要么來自黑洞,要么來自近距離的中子星,都是比較容易找到的。而宇宙中更多的引力波源自數(shù)目龐大的小星體,比如行星、白矮星,它們活動更頻繁,但發(fā)射的引力波信號就要弱許多。但目前,LIGO、VIRGO的技術(shù)還達不到能測到它們的精度。

另一個更偉大的目標(biāo),就是嘗試收集宇宙大爆炸產(chǎn)生的初始引力波。因為引力波不會衰減,所以初始引力波很可能還在宇宙中回蕩。找到它們,或許能夠幫人類開始認識宇宙起源與物質(zhì)創(chuàng)生的秘密,甚至有可能開始探測光產(chǎn)生之前的原始宇宙。

科學(xué)理論推測,138億年前,大爆炸發(fā)生之后的一段時期里,宇宙里充斥著非常熱的光子、電子、質(zhì)子組成的等離子態(tài)物質(zhì),它們組成了高溫、高密度的帶電漿云。光子在這團漿云中不斷與電子和質(zhì)子發(fā)生散射,根本跑不出這鍋熾熱的粒子粥。所以,最初的那38萬年的宇宙,我們是無法看到的。直到大爆炸發(fā)生38萬年后,隨著宇宙膨脹和冷卻,原子開始形成,帶電漿云漸漸散開,宇宙中就有了可以傳播的光線(運動的光子)——這也是“電磁波天文學(xué)”可以研究的所有天文現(xiàn)象的“時間起點”,如果要研究這之前的事情,只能寄希望于初始引力波。但初始引力波的頻率更低,波長跟整個宇宙的尺度差不多,對技術(shù)要求更高,雖然我們不知何時才能實現(xiàn),但這還是給我們帶來了希望和研究方向。

引力波還能干什么?

最后,我們無法免俗,還是要來討論一下引力波對于普通人有何價值,畢竟“宇宙時空”這種事離我們太遠了。其實,科學(xué)家在探索引力波過程中帶來的科技進步,已經(jīng)有不少能夠轉(zhuǎn)化為民用。

以世界上最重要的引力波探測天文臺即美國的LIGO為例,它耗資數(shù)億美元,由上千位科學(xué)家花費40年時間建成,但目前仍需要繼續(xù)“升級”。原因就在于,引力波是非常微弱的,地殼運動的震顫、數(shù)千千米外海浪拍打巖石的聲音、溫度的略微上升,都可能對探測造成影響。為了保證抗干擾能力,LIGO須把精度技術(shù)提升到極致。

比如,LIGO使用的鏡片由高純度的二氧化硅制作,能夠做到每射來300萬個光子,只有一個光子會被鏡子吸收,即只擋住了一個光子。可以說鏡片甚至比空氣還要通透,該技術(shù)可以用于醫(yī)療、手機、相機;探測引力波時,LIGO激光在天文臺內(nèi)反射400次,光路總長度達到1600千米,但仍能做到不發(fā)散、不衰減,其中必然使用了高超的激光功率放大技術(shù),那么或許可以給無人駕駛汽車中的激光雷達提供一些借鑒;LIGO真空系統(tǒng)內(nèi)的壓強,可以做到海平面大氣壓強的一萬億分之一,如此高程度的真空技術(shù),對于需要防塵的半導(dǎo)體加工工業(yè)應(yīng)該同樣有用;而LIGO的減震抗震系統(tǒng),在軍用導(dǎo)彈存儲方面可以照搬應(yīng)用。

那么,引力波本身能干什么?可以說,在能夠預(yù)見的將來,引力波對于日常生活幾乎毫無用處,最多也只能給導(dǎo)演或者作家提供一些創(chuàng)作靈感,比如電影《星際迷航》、《星際穿越》以及小說《三體》中都有關(guān)于引力波的橋段。不過,當(dāng)初人類最開始意識到電磁波存在時,也并沒有感覺到電磁波有什么用,如今,電磁波卻在微波爐、手機、航空中不可或缺。由此推測,引力波也許能夠重復(fù)這個故事。

本文源自大科技〈科學(xué)之謎〉雜志2018年1期 文章 歡迎您關(guān)注大科技公眾號:hdkj1997

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