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​听一听黑洞的声音

发布时间: 2022-11-18 14:12:24   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:        字号:[ 常规 ]

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千百年来,人类早就习惯了依赖眼睛观察世界。当今的大型天文望远镜,就是人类视力的延伸,是我们观察宇宙的巨眼。那为什么还要耗费巨资建造引力波探测器呢?因为接收的信息不一样。探测引力波更像用耳朵听声音。利用耳朵,我们可以感受空气的振动,而且振动幅度越大,声音越响。而利用引力波探测器,我们则希望探听到时空的振动。这种振动的幅度越大,探测器反馈的信号就越显著。如果说望远镜让我们接收来自宇宙的短信,那么引力波探测器接收到的就是宇宙发来的语音。

没有引力波探测器,天文学家就好像失去了听力。仅仅依赖望远镜“看”宇宙,就好像捂着耳朵在昏暗的森林里探索。不要误会,这种“无声”的探索不一定就是索然无味的。事实上,我们仍旧可以看见光怪陆离的古木、小动物在林间穿梭、小鸟在树枝间跳动。这样的森林也足够有趣的。

解放耳朵,打开听觉,那我们将听到树叶的沙沙作响,小动物的窸窸窣窣,还有小鸟各式各样的鸣叫。也许还有我们根本看不到的猛兽,在森林深处低吼。这不是更加新鲜刺激吗?

这就是我们探测引力波的目的。

早在1916年,爱因斯坦就预言了引力波的存在。但等到2015年,我们的引力波探测器才找到了确凿的信号。为什么探测引力波那么难,要等100年呢?

主要是因为产生引力波的天体都非常遥远。所以引力波到达地球的时候已经衰减得相当厉害了,它的振动幅度只有最初的10-21,也就是0.000000000000000000001,小数点后有20个零!如果要按照水面小虫子的方法来探测引力波,就算我们能在地球上造一根上千千米的尺子(大致相当于北京到上海的距离),引力波经过时,尺子的长度变化也就一个原子核的大小(1微米的十亿分之一)。要建造这种高精度的尺子,难度可想而知。

不可思议的是,科学家和工程师竟然实现了如此尺度的观测:他们真的造了一根等同于上千千米的尺子,用激光干涉的方法,量出了一个原子核大小的长度变化。

目前地球上有四台探测器能够探测量级为10-21的引力波。虽然每台探测器自带的“尺子”(叫做“激光干涉臂”)只有3到4千米,但通过让激光折返跑几百次,我们可以把尺子的有效长度增加到上千千米。

2015年,差不多是爱因斯坦提出引力波100年后,LIGO终于率先探测到了引力波信号。在9月15日这一天,LIGO两台探测器的激光干涉臂几乎同时抖了几下。在排除了其他所有的可能性之后,剩下唯一的选项就是引力波。

2015年9月15日,在美国华盛顿州和路易斯安那州的两台LIGO探测器都探听到了同样一个信号:激光干涉臂在不到0.15秒的时间内抖了几下,并且抖动的幅度和频率都随着时间急剧升高。这种信号与引力波模型预言的结果几乎严丝合缝,两者几乎没有差异。

我们真的探测到引力波了吗?让我们仔细看看这个信号。在不到0.15秒的时间内,LIGO探测器抖动的幅度和频率都随时间急剧增加。这种现象与两个黑洞的合并过程基本符合。因为:

(1)引力波会带走能量,所以相互绕转的两个黑洞不可避免地要越绕越近、越绕越快。这就解释了为什么频率会升高。

(2)随着黑洞轨道的缩小,引力波辐射也变得更强,这也解释了为什么振幅会越来越大。上面两种特征很接近鸟类鸣叫的特点,所以这种引力波信号被叫做“啁啾”。

最终两个黑洞合并成一个更大的黑洞,一切终归平静。观测结果符合理论预期,这次是真的!

通过进一步分析数据,科学家们还能还原出更多细节。大约12亿年前,地球上的微生物才刚刚开始光合作用,宇宙深处有两个黑洞就已经准备好了最后的狂欢。每个黑洞的质量都是整个太阳系30倍左右,但那么多物质却挤在和北京市差不多大小的区域里。

这两个黑洞先以接近光的速度绕转了几圈,每一圈都比上一圈转得更快,绕转频率从几十赫兹升高到几百赫兹,最后融合成一体。整个过程持续了不到0.15秒。在这样短的时间内,有相当于3个太阳质量的能量以引力波的形式被释放出来,其功率相当于宇宙中所有星系的发光功率的总和。

如此强悍的引力波经过12亿年的旅行,来到地球后只够微微拨动LIGO探测器的激光干涉臂,让其中的光子多走(或者少走)了一个原子核大小的距离。但就是这一个原子核大小的抖动,让我们清晰地“听”到了宇宙深处两个黑洞的一记绝响。