用FAST望远镜聆听引力波


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2016年02月26日


摘要】 FAST望远镜的一个重要科学目标就是引力波—— 利用脉冲星探测引力波。 引力波会使脉冲到达时间发生变化,如果能观测到全天的脉冲星或者某一方向上的多个脉冲星周期发生变化,就能探测到引力波。特别是探测高速旋转的脉冲双星以及双脉冲星轨道运动产生的引力波。 引力波是爱因斯坦广义相对论中所预言的一种时空波动,通过观测引力波可以以全新的角度去探索宇宙,可以提供传统电磁辐射方式无法观测到的未知信息,是观测宇宙的一个崭新窗口。 我们可以听到引力波,我们可以听到宇宙的声音。

 

FAST望远镜聆听宇宙

世界最大单口径射电望远镜仿真模型

荣获诺贝尔奖的一张图:由引力波引起的脉冲双星的周期衰减。


1974年美国天文学家赫尔斯和泰勒(Russell Hulse, Joseph Taylor)利用305米口径的Arecibo射电望远镜观测, 他们经过近20年坚持不懈的努力,上千次的观测,发现了射电脉冲星双星系统PSR B1913+16 的脉冲周期因引力波引起的变化,终于以无可争辩的观测事实,间接证实了引力波的存在,开辟了引力波天文学的新领域,并因此荣获1993年的诺贝尔物理学奖。 在脉冲双星系统中,一个脉冲星与另外一个非脉冲星(可以是中子星、白矮星、甚至是普通的主序星)相伴。

2-D representation of the Gravitational waves generated by two neutron stars orbiting each other

两颗互相绕转的中子星产生的引力波二维示意图。



美国当地时间2月11日上午10点30分(北京时间2月11日23点30分),美国国家科学基金会(NSF)召集了来自加州理工学院、麻省理工学院以及LIGO科学合作组织的科学家在华盛顿特区国家媒体中心宣布:

人类首次直接探测到了引力波!

 

模拟图显示两个黑洞碰撞并合,产生引力波。 图片来源:美国加州理工学院LIGO网站


 

理论显示两个黑洞碰撞并合产生引力波。图中那些酷似向外飘逸的红彩条就是引力波。 Numerical simulation of the merger of two black holes and the resulting emission of gravitational radiation (colored fields). The outer red sheets correspond directly to the outgoing gravitational radiation that had been directly detected by the gravitational-wave observatories, the advanced LIGO. Courtesy: NASA/C.Henze



引力波如此重要的原因

(原文:微信公众号  木木西里)



众所周知,宇宙所有物质和能量之间都存在着引力,比如说,物体在地球上的重量,便是地球对其引力所致。尽管,引力是人类最早认识的一种基本作用力;但是,人们对它的认识却不太清楚。因此,无论是理论或实验领域,物理学家们对引力仍然探索不止。

一个世纪前,爱因斯坦预测了引力波的存在。对于它们的存在,近百年来,科学家们只能找到间接的证据。而在美国华盛顿当地时间2016年2月11日这一天,这个百年前的伟大预言终于被证实。当天上午,激光干涉引力波观测台(LIGO)实验组召开新闻发布会,告诉全世界,首次直接观测到了由两颗恒星级黑洞13亿年前并合产生的引力波。这是科学史上又一次具有划时代意义的发现。

那么,究竟什么是引力波?它为什么如此重要?

引力波是什么?

如果把引力比作大海,那么引力波就是大海中波浪的激荡。

在了解引力波之前,让我们先来说一说引力是什么。

引力全称万有引力,又称重力相互作用,它是指具有质量的物体之间加速靠近的趋势,简单说就是物体之间相互吸引的作用力。它是自然界的四大基本相互作用力之一,也是自然界中最普遍存在的力,可以说是无处不在。

中国科学技术大学物理学院教授蔡一夫解释说,在经典力学中,万有引力被认为是带有质量的物体之间所存在的相互作用。然而,在爱因斯坦的广义相对论中,万有引力是由于存在质量对时空的弯曲所造成的现象。“广义相对论认为,物质的质量会使得时空弯曲。比如说有个人在一个沙发上坐下时,原本平整的沙发表面就立刻会向下凹陷,出现一个坑,而之前放在沙发周围的物体就有向坑中间滑落的趋势,于是就产生了万有引力。”

引力与时空弯曲-- 根据爱因斯坦的广义相对论,物体在空间内会引起空间的扭曲,扭曲的程度由物体的质量所决定, 而引力正是由这种扭曲所产生的。简言之,质量引起时空弯曲,引力是时空弯曲造成的一种现象。一个空间里的质量越大,其边界处的时空弯曲就越大。 当物体在时空中运动时,时空曲率的变化反映了其位置的变化。 如果在一块橡胶薄膜上放置一个小钢球,那么小球的质量就会把橡胶膜往下压,使膜凹陷下沉, 引起薄膜的弯曲变形,小球越重,引起的变形就越大。 第二个小钢球的加入也使膜凹陷、变形。橡胶膜好比时空,小球就象天体,变形的膜就是弯曲的时空, 两个球(天体)的质量引起的膜的变形(时空弯曲),恰如引力,促使它们逐渐加速滚向对方并合在一起。这个过程中引起的膜的形变向外扩散传播,如同向外辐射的引力波,这就是所谓【引力波是时空的涟漪】。



“在宇宙空间也是一样,比如把太阳、地球、恒星、黑洞等大质量的天体放在时空中,时空就会形成‘凹陷弯曲’,万有引力也就产生了。”美国麻省理工学院物理系研究员苏萌说。

地球绕着太阳转的轨道运动时空弯曲图示


由此可见,在爱因斯坦广义相对论的视野里,引力等价于弯曲的时空。而引力波就是在弯曲的时空这个大背景下,当发生有质量的物体加速运动导致的扰动时,由此产生的波动如波纹一样向外传播的现象。“如果把引力比作大海,那么引力波就是大海中波浪的激荡。”蔡一夫说。

蔡一夫拿蹦床举例进一步解释说,“如果一个运动员站在蹦床上,他站着的那个位置就会形成一个凹陷,也就是我们所说的弯曲。如果这个运动员在那里一动不动的话,那个弯曲就像被扳弯的钢尺一直紧绷在那里。这种紧绷其实是在储存能量。如果他稍微动一动,跳一下,这个蹦床就会把他弹起来。为什么会被弹起来呢?就是因为之前储存的能量释放了。这个释放不仅是把人弹到了空中,而且使得这个蹦床表面从一开始紧绷的静止状态一下子变成反复起伏、上下翻滚的褶皱状态,这个起伏翻滚并传开来的褶皱就可以理解成一个波动的传播,即产生引力波。”

时空弯曲图示之一


蔡一夫说,如果把宇宙空间比作蹦床,把黑洞比作蹦床运动员,它在宇宙这个大蹦床上通过碰撞、并合等方式蹦了一下,就会把之前储存的巨大能量释放出来,这种行为会扰动周围的时空,造成起伏和震动,这个能量就会以引力波的形式传递出去。这种起伏的程度越大,波动就越大,引力波也就越强。

引力波为何难探测?

宇宙中发生爆炸性的大事件时产生的引力波,才相对容易探测到,比如黑洞并合、星系合并、超新星爆炸等。

100年前,爱因斯坦在预言引力波存在时就曾说:“这些数值是如此微小,它们不会对任何的东西产生显著的作用,没人能够去测量它们。”

事实的确是这样,万有引力虽然无处不在,但它却是我们已知物理世界中最弱的力。尽管它很多行为类似电磁波,但是对它的波动性的探测却比登天还难。

其实,我们日常生活中就有无数引力波的存在。每天我们的身体都在接受引力波的穿透,因为任何带有质量的物体加速运动都会产生引力波,但是这些日常的引力波都太弱了,完全检验不到,更别提感受到了。

蔡一夫说:“举个例子,大家知道太阳每天都会照射到地球上,我们从而能感受到阳光。太阳的光线是从太阳那里出发落到我们身上。那么,这个传播的过程是什么?就是电磁波的传递。万有引力也是一样,太阳给我们阳光的同时,也给我们引力辐射,这个过程就是引力波的传递。这个引力作用也是从太阳那里出发到我们身上的,只不过我们看不到和感受不到而已。”

既然引力波那么弱,那么人类怎样才能探测到引力波呢?

“可以去探测大强度的引力波。引力波的强度跟天体的质量和运动剧烈程度有关。天体质量越大,运动越激烈,产生的引力波就越强。就好比蹦床运动员,他如果重量越大,弹跳得越高,能量释放得就越多,造成蹦床表面的起伏波动就会越大。所以,也就是宇宙中发生爆炸性的大事件时产生的引力波,才相对容易探测到,比如黑洞并合、星系合并、超新星爆炸等。”苏萌说。

科学家们也同时表示,即使是宇宙中这类天体爆炸性的大事件产生的较强引力波,探测起来也是极其困难的,这对仪器和人的要求都很高。

为什么这么说?蔡一夫给出解释:“时间发生得越早,距离越远,越会在宇宙中传播期间被红移。红移指的是由于宇宙本身的膨胀将所有的波动的波长拉直拉平,这样其波动性就难以被探测到。例如,这次LIGO探测到的引力波,是13亿年以前两个大约30个太阳质量的黑洞并合所产生的引力波,振幅之小,是在原子核尺寸的千分之一的尺度。能探测到真的是非常不容易,LIGO实验组的科学家们也是在几十年里经历多次挫折,不断调整方案,改进仪器,才最终探测到的。”

探测引力波有啥用?

引力波携带着与电磁波截然不同的信息,将为我们揭示宇宙新的奥秘,甚至为我们揭示宇宙诞生之初的奥妙。

“一旦宇宙中某个地方因为天体碰撞或爆炸产生了引力波,这种时空的‘震荡’会在宇宙间以光速传播。如果离地球足够近,就可以用‘引力波天线’接收这些讯号。就像地球上时不时发生地震一样,只要我们有一个好的地震仪就能探测到这些微乎其微的震荡。”苏萌说。

苏萌介绍,目前引力波根据其产生源不同,主要分四种,分布在不同频率上。针对不同频率,科学家设计了不同的探测手段。例如,这次LIGO实验组探测到的黑洞引力波就属于高频段,探测手段就是地面数公里的激光干涉装置。

LIGO -- The Laser Interferometer Gravity-Wave Observatory. LIGO is actually two facilities, one located in Washington state and the other in Louisiana (jointly operated by Caltech and MIT)


四种引力波中,原初引力波频率最低,迄今为止还未被观测到,其波长跟整个宇宙的尺度差不多大。它不同于天体运动、演化形成的引力波,而是来自于宇宙早期,产生于宇宙大爆炸时宇宙时空剧烈的“暴胀”过程中。原初引力波的探测需要对宇宙大爆炸后微波背景辐射(宇宙微波背景辐射是宇宙诞生大概38万年后留下来的电磁波)进行观测,一旦被探测到对基础物理学意义更加重大。

宇宙的历史:原初引力波和密度波被认为是宇宙大爆炸刚结束的暴涨-超光速膨胀所产生的。上图示意宇宙从大爆炸起点之后130多亿年的演化史。 History of the Universe - gravitational waves are hypothesized to arise from cosmic inflation, a faster-than-light expansion just after the Big Bang (17 March 2014, adopted from wikipedia.org). The bottom part of this illustration shows the scale of the universe versus time. Specific events are shown such as the formation of neutral Hydrogen at 380 000 years after the big bang. Prior to this time, the constant interaction between matter (electrons) and light (photons) made the universe opaque. After this time, the photons we now call the CMB started streaming freely. The fluctuations (differences from place to place) in the matter distribution left their imprint on the CMB photons. The density waves appear as temperature and "E-mode" polarization. The gravitational waves leave a characteristic signature in the CMB polarization: the "B-modes". Both density and gravitational waves come from quantum fluctuations which have been magnified by inflation to be present at the time when the CMB photons were emitted. National Science Foundation (NASA, JPL, Keck Foundation, Moore Foundation, related) - Funded BICEP2 Program http://bicepkeck.org/faq.html


那么,探测到引力波到底有啥用?

科学家们普遍认为,这次LIGO这一发现是爱因斯坦相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”,证实了爱因斯坦广义相对论的正确性。

“既然引力波是存在的,基于引力波的科研思路可信性就大大提高了。就好像走一条未知的路,走到半路,有人怀疑不对,结果证实是对的,那么就可以加快步伐了。”苏萌说。

苏萌说,从科学上讲,引力波的发现为我们打开了研究宇宙的全新窗口,射电、光学、伽马射线等电磁波谱研究宇宙都是来自于光子携带的信息,引力波携带着与电磁波截然不同的信息,将为我们揭示宇宙新的奥秘,比如黑洞与黑洞并合时的物理过程。如果能探测到宇宙大爆炸时发出的原初引力波,那将为我们揭示宇宙诞生之初的奥妙。

“就好比,人类以前以为自己只有一双能够看见外界的眼睛(电磁波探测),现在发现自己还有一双能够听见外界的耳朵(引力波探测)。”中科院高能所研究员张新民说。

引力波的发现对普通人的生活会产生什么影响?科学家们表示,一个新的重大科学发现,总会给人类社会带来无法预估的发展。18世纪描述电磁波的麦克斯韦理论确认的时候,也没有人知道会给人类带来什么,但是现在不管是电视机还是移动电话,都与电磁现象有关。

引力波频谱:不同频率段的引力波产生自不同的源(天体),不同的时间,需要相应的不一样的探测器。 由图可见探测低频引力波,如原初引力波的巨大困难。 频率最低的是原初引力波,它的波长跟整个宇宙的尺度差不多大,所以只能通过对宇宙大爆炸后遗留的光子场信号,即宇宙微波背景辐射来寻找它。——“阿里计划”主要寻找的就是原初引力波,搜寻从137亿年前跨越整个宇宙传播到地球的宇宙微波背景辐射。它寻找的是一种特殊的偏振信号,称之为B模式。 The gravitational wave spectrum with sources and detectors. Credit: NASA Goddard Space Flight Center



中国将如何作为?

“太极计划”和“天琴计划”要去太空探测引力波;“阿里实验计划”的目标是在地面探测原初引力波

LIGO的发现让我国科学家对中国的引力波研究充满期待。

作为“阿里实验计划”的负责人,张新民认为,中国是一个大国,这个领域不能是空白。“我们必须抓紧创新而不是跟踪,作出我们应有的贡献。”

实际上,早在上世纪70年代,中国科学家就开始了引力波研究,但由于种种原因停滞了十几年,造成了人才断层。直到2008年,在当时还在中科院力学所国家微重力实验室工作的胡文瑞院士的推动下,中国的引力波研究才再度开启。


中国的引力波探测计划




张新民介绍,目前中国的引力波研究主要有两个方向,一是中科院刚刚提出的“太极计划”和由中山大学领衔的“天琴计划”,这两个计划都是要去太空探测引力波;二是由中科院高能物理研究所主导的“阿里实验计划”,目标是在地面探测原初引力波。这是两个完全不同的研究方向和科学目标。

中科院高能物理研究所副研究员李宏说:“原初引力波太微弱,所以要选各种干扰尽量少的区域。比如要具备海拔高、大气稀薄以及水汽含量低等因素。目前,科学家在全球共选出了4个最佳观测点,分别是南极、智利阿塔卡马沙漠、格陵兰岛和我国西藏阿里。”

据介绍,中科院国家天文台在阿里建设的观测站位于阿里地区狮泉河镇以南约20公里处海拔5100米的山脊,可以说是北半球最好的观测台址。


中国科学院国家天文台西藏阿里观测站


国家天文台阿里观测基地负责人姚永强说, 阿里在紫外波段和亚毫米波段探测具有明显优势。阿里地处理想的中纬度区域,水汽含量低、大气透明度高, 是北半球观测条件绝佳的台址, 阿里天文台的大气视宁度至少达到0.8角秒(大气视宁度是衡量大气扰动影响天文观测成像清晰度的重要指标), 可与美国夏威夷的莫纳凯亚、智利北部阿塔卡马沙漠上的帕拉纳山丘、西班牙卡那里群岛等的天文台媲美, 未来可建成世界一流天文台。 我国引力波研究的“阿里实验计划”将由中科院高能物理研究所牵头,依 托国家天文台在阿里建设的观测站进行。这一计划旨在实现对原初引力波, “宇宙胎动的声音”引 进行最灵敏搜寻,检验极早期宇宙暴涨理论。(详细报道: http://www.guancha.cn/Science/2016_02_19_351569.shtml )

张新民说:“阿里项目造价小,周期短,可望5年内出成果。”

“太极计划”的设想之一是在2030年前后发射3颗卫星组成引力波探测星组,用激光干涉方法进行中低频波段引力波的直接探测,目标是观测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射,以及其它的宇宙引力波辐射过程。“天琴计划”将分四阶段实施,大约需要20年的时间,投资大约150亿元。

“如果说引力波是一场宇宙交响曲,那么LIGO的成果只是一个序曲,但主乐章还是在空间探测领域,将解答更多重大学术问题。”“太极计划”首席科学家胡文瑞说。

用地球上的最大“耳朵”聆听天籁之音

中国西南贵州,在形成于4500万年前的巨型天坑中,科学家与工程师们正在建造面积相当于30个足球场的世界最大单口径射电望远镜。它像一只庞大而灵敏的“耳朵”,将捕捉来自遥远星尘最细微的“声音”,洞察隐藏在宇宙深处的秘密。

 

FAST望远镜聆听宇宙

鸟瞰世界最大单口径射电望远镜FAST,这座射电望远镜在未来20至30年将保持世界一流地位。


“大耳朵”正式的名字是:500米口径球面射电望远镜。科学家将它的英文名Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope缩写为FAST。这项中国有史以来最大天文工程,总投资将超过11亿,2011年3月动工,预计2016年9月竣工。

建成后,这座射电望远镜在未来20至30年将保持世界一流地位。与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比,FAST灵敏度将提高约10倍;与被评为人类20世纪10大工程之首的美国Arecibo300米望远镜相比,其综合性能提高约10倍。

中科院国家天文台射电部首席科学家李菂说,FAST的一个重要目标是利用脉冲星探测引力波。引力波会使脉冲到达时间发生变化。如果能观测到全天的脉冲星或者某一方向上的多个脉冲星周期发生变化,就能探测到引力波。

1974年,首颗脉冲双星将引力波发现向前推进了一步。 图片来自NASA


李菂说,实际上科学家对脉冲双星绕转轨道的观测间接证明引力波的存在,已经在1993年获得了诺贝尔奖。“FAST跟这一类观测非常接近,针对的是超大质量黑洞。超大质量黑洞之间一般距离很远,周围有大量的重子物质和吸积过程,会伴随着各种明确、强烈的电磁信号,这样就可以 做更多的天体物理研究,例如是什么样的黑洞,是什么样的轨道,吸积多少物质等。”




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文二: 美科学家首次直接探测到引力波 (果壳网2016-02-11)

文三: 如何理解引力波,怎样具体探测? ( 知乎原刊 )

文四: LIGO成员陈雁北回应引力波探测质疑 ( 科普中国/光明网 |【知社学术圈】2016-02-18)

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文八: 陈雁北: 两个黑洞相互碰撞发出引力波的理论模型与思想细节

文九: 专家访谈:发现引力波的意义

文十: LIGO Sees First Ever Gravitational Waves as Two Black Holes Eat Each Other

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