(綜合報導)2016年2月11日,LSC(LIGO科學合作組織,LIGO Scientific Collaboration)向全世界宣佈:人類首次直接探測到了引力波,並且首次觀測到了雙黑洞的碰撞與併合。 引力波是愛因斯坦廣義相對論實驗驗證中最後一塊缺失的「拼圖」。作為廣義相對論的重要預言,直到在上個世紀60年代,引力波的存在性也仍被不少物理學家質疑過。此後的漫長歲月裡,幾代物理學家付出了無數努力,廣義相對論的其他預言如光線的彎曲、水星近日點進動以及引力紅移效應都已獲證實,唯有神秘的引力波一直沒有被發現。引力波的發現同時還可與宇宙大爆炸產生直接聯繫,它的發現將進一步為人類提供關於宇宙天體、銀河系和黑洞研究的全新視角。 1915年,愛因斯坦發表的廣義相對論中預言了宇宙誕生之初產生的一種時空波動--引力波的存在。廣義相對論告訴我們:在非球對稱的物質分佈情況下,物質運動或物質體系的質量分佈發生變化時,就會產生引力波。在宇宙中,有時就會出現如緻密星體碰撞併合這樣極其劇烈的天體物理過程。過程中的大質量天體劇烈運動擾動著周圍的時空,扭曲時空的波動也在這個過程中以光速向外傳播出去。因此引力波的本質就是時空曲率的波動,也可以唯美地稱之為「時空漣漪」,如同石頭被丟進水裡產生的波紋一樣,黑洞、中子星等天體在碰撞過程中有可能產生引力波。它帶有強大的吸引力,科學家認為它能攜帶信息,可以回溯宇宙起源時候的狀態。 美國加州理工學院、麻省理工學院以及「激光干涉引力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,縮寫為LIGO)」的研究人員11日在華盛頓舉行記者會,宣佈他們利用LIGO探測器於2015年9月14日探測到來自於兩個黑洞合併的引力波信號。
激光干涉引力波天文臺在美國的華盛頓漢福德與路易斯安娜州之間有兩個探測器,呈現L型排列,利用邁克耳遜干涉儀原理進行測量引力波。L型測量臂很長,達到4公里,兩個測量臂垂直排列,兩端各有反射鏡面。科學家認為激光在測量反射臂上來回反射,如果干涉條紋發生了變化,就說明探測到了引力波事件。2005年之後,激光干涉引力波天文臺再次進行了升級,使用更高功率的激光器和避震措施,降低誤差。 2015年9月14日2點50分45秒,LIGO位於美國利文斯頓與漢福德的兩台探測器同時觀測到了GW150914信號。後續跟進的數據分析結果還顯示,GW150914是一個36倍太陽質量的黑洞和一個29倍太陽質量黑洞併合事件,在併合後產生了一個62倍太陽質量帶自旋的kerr黑洞。合併後的黑洞為什麼損失了3個太陽質量?這意味著,相當於3個太陽質量的能量在合併過程中以引力波的形式釋放出去了。
這一輻射的能量有多大?科普作家張軒中撰文解釋稱:「通過愛因斯坦的著名質能方程E=MC2計算可知,這相當於數以億億億億計的原子彈同時爆炸,其威力相當驚人,整個空間都在顫動。這一顫動也在十幾億年後傳到了地球--這就是目前LIGO探測到的引力波。引力波信號傳遞到地球以後,其在激光干涉儀的接受器上會形成一個電子信號,這個電子信號在模數轉換後在終端電腦上表現為一個『引力波信號波形』。對這一波形的處理堪稱技術性難題,而科學家需要從波形裡讀出很多信息:黑洞併合所花費的時間、併合後黑洞的質量、併合後黑洞的自轉角動量、黑洞併合事發現場距離地球的距離。」
霍金:科學史上重要的一刻
霍金(Stephen Hawking)接受英國廣播公司(BBC專訪時表示:「重力波提供看待宇宙的嶄新方式,發 現它們的能力,有可能使天文學起革命性的變化。這項發現是首度發現黑洞的二元系統,是首度觀察到黑洞融合。」 「除了檢驗(愛因斯坦的)廣義相對論,我們可以期待透過宇宙史看到黑洞。我們甚至可以看到宇宙大爆炸時期初期宇宙的遺跡、看到其一些最大的能量。」
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