天文學超大事件:超大引力波!捕獲!

美國著名理論物理學家基普·索恩在發佈會現場。圖庫版權圖片,轉載使用可能引發版權糾紛星雲和脈衝星的太空景觀。圖庫版權圖片,轉載使用可能引發版權糾紛

天體物理學有大發現的傳言已經在坊間流傳數天,6月30日終於水落石出:包括中國科學家在內的多國科學團隊同時發表了一系列論文,宣佈我們找到了宇宙背景引力波的證據。通向宇宙秘密的道路,又開啓了新的一條。

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什麼是引力波?

石頭扔到水裡會產生水波,電子加速起來會產生電磁波,引力波也是同樣的道理:一個具有質量、能產生引力的物體發生加速運動的時候所產生的波。很遺憾,引力作爲一種力實在是太小了,小到一整個地球產生的引力都可能敵不過你的幾塊肌肉——把你的手機從桌子上拿起來,就是你的肌肉勝利的證明。而引力波更是微小到離譜,對我們的日常生活完全無法產生任何影響。

這也就不難理解了,爲什麼19世紀的科學家就預言了引力波的存在,但此後的一百多年裡,人們根本無法探測到它。直到1974年,我們才間接觀察到引力波,而直接確認引力波的真正存在,已經是21世紀的事情了。

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引力波不是舊聞了嗎?

2015年人類第一次直接觀察到了“引力波本波”。這一發現贏得了2017年的諾貝爾物理學獎。後來,科學家又檢測到了好幾次引力波,也都上了新聞。不過,之前的那幾次和這次有一點不同:那幾次都是“小”波,是中小型黑洞碰撞融合產生的。這一次是大傢伙!

其實,說之前“小”也不是非常公平。2015年那次觀察到的兩個黑洞,一個是太陽的36倍,另一個是太陽的29倍,以人類的尺度來說,已經大到難以想象了。可就算是這麼大的兩個天體,產生的引力波也只能讓4千米長的探測器伸縮千分之一個質子那麼大點而已。

但中小型黑洞的碰撞有一個好處,那就是它發出的引力波是高頻的,比較“尖細”,只需要區區幾千米的“小”探測器就能檢測到。如果是更大規模的引力變化,比如超巨大黑洞、大爆炸迴響什麼的,發出的引力波是低頻的,比較“低沉”,那就需要超長的探測器——整個地球甚至整個太陽系都擺不下的那種。

整個地球都裝不下,那人類怎麼可能造得出來呢?其實沒事兒,物理學家和天文學家經常遇到這種問題。他們非常擅長把自然界已經存在的超巨大物體變成探測器的一部分。這回,他們用的是天上的星星。

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跨越虛空的羣星之尺

1967年,英國天體物理學家約瑟琳·貝爾還只是一個研究生。但這一年,她發現了一種奇怪的天體,它會非常穩定地發射有規律的電磁波。有些科學家開玩笑說這可能是外星人給地球發射的信號。所以,她和她的同事給這個天體起了個外號叫“小綠人1號”。後續的研究很快證明這是純粹天然的現象,無需智慧生命的參與。

這種電磁波信號每隔一段固定時間就出現然後消失,像脈搏一樣,無線電傳統管這樣不連續的信號叫“脈衝”,所以發射這個信號的天體,就得名爲脈衝星。脈衝星的發現後來得到了諾貝爾獎。(但貝爾本人卻沒有獲獎,這是諾獎歷史上對女科學家不公正的著名案例之一)

脈衝星中的引力波爆發。圖庫版權圖片,轉載使用可能引發版權糾紛

現在我們知道,脈衝星是中子星的一種,換句話說是“死掉的星星的屍體”。脈衝星發射出來的電磁波本身是連續的而不是脈衝的,但是它的電磁波只向自己的兩極發射,同時它又在高速旋轉,所以只有它的電磁波掃過地球的時候我們才能看見。從地球上看它,就像在大海上看燈塔的光一樣, 隔一段時間就閃爍一次。道理上講,閃爍的間隔對應它旋轉的間隔,應該是完全規律的——實際上,它的電磁波在抵達地球的路上會受到各種小干擾,所以能觀察到微小的不規律。

科學家盯上的,就是這個規律裡藏着的不規律。

引力波是空間本身傳遞的波,當它改變探測器的長度時,改變的其實不是探測器本身,而是探測器所屬的空間。如果脈衝星的信號在來地球的路上遇到了引力波,它的路途本身就會因爲引力波而變長或者變短,花的時間也會因此而變化。通過觀察這個變化,我們就等於是把我們和脈衝星之間的全部空間,都變成了引力波的探測器。

當然,這事兒說起來容易做起來難。能干擾脈衝星信號的除了引力波,還有很多別的因素,需要一一排除掉。而且引力波的影響極爲微小,引發的週期變化也許只有1微秒,需要非常精密的儀器。所以世界各國的科學家聯手探測了二十多年,纔得到了這次的結果。

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引力波的搖曳海洋

這次發現的並不僅僅是單一的引力波事件,而是全世界的數據大成,來自北美、歐洲、澳大利亞、印度、日本,當然還有中國的全球研究者共同彙報了無數望遠鏡的觀測結果。這一結果支持了早已有之的猜想:宇宙沉浸在引力波的背景之中,每一個地方都有久遠的低頻引力波在震盪。

打個比方說:地球像一艘小船,漂泊在宇宙引力波的汪洋大海里,之前幾年我們探測到了船體的震動,證明這大海里存在波浪。但現在我們終於能探出頭來望向大海,親眼看到了遍佈海面的浪花。

不過這也帶來了衆多新的問題,比如說, 我們並不確定這些低頻引力波來自於什麼事件。

這也沒辦法,宇宙裡奇怪的東西太多了。兩個超巨大黑洞的碰撞看起來是最可能的原因,但還有很多其他可能的原因。也許是宇宙膨脹時的波紋?也許是早期宇宙相變留下的痕跡?也許是空間裡的缺陷網絡?關於宇宙的大尺度結構我們還有很多不知道的東西。

但也正因此,觀察低頻引力波背景纔是這麼刺激的一件事:它給很多未知的宇宙事件打開了大門。

此外,這些結果的質量並沒有都抵達物理學的“金標準”。現代物理學的慣例要求一個結果要抵達“5σ”——也就是一種新現象純屬巧合的概率低於百萬分之一——才能當作“實錘”來看待。本次發表的結果並沒有都滿足這一要求。

以最嚴格的措辭而言,應該說本次發現“找到了符合引力波背景的證據”而不是“探測到了引力波背景”。但是,更多的探測和數據分析還在進行中,大多數人都相信這個方法很快就能獲得無可辯駁的5σ級別證據。

和宇宙相比,人類的感官所能覆蓋的範圍實在太過渺小。百萬年前一個人仰望星空時看到的或許超越了全部的人類體驗,但放在整個物質世界裡,他的所見連滄海一粟都不如。後來,人類發明瞭望遠鏡、無線電、光譜儀,宇宙的側面被一一揭開,但總有更多的秘密隱藏在人類感知不到的黑暗裡。引力波的探測是百萬年來無數新開啓大門裡最新的一扇,而引力波背景,則是它最新的里程碑。

路,還在延續。

作者:範崗演化生物學博士生

審覈:餘恆 北京師範大學天文系副教授

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