作者:常丽君 来源:科技日报 发布时间:2016/2/16 13:59:58
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《自然》刊文讲解引力波或可解决的六大宇宙问题

 

17世纪末,牛顿发现了万有引力,有质量的物体就有这种引力;20世纪初,爱因斯坦发表广义相对论,提出引力其实是质量引起的时空变形;2012年,欧洲核子研究中心通过大型强子对撞机发现希格斯玻色子,解释了粒子为何会有质量,将希格斯场、质量和时空联系在一起。

而如今,人类首次探测到了引力波——由两个黑洞撞在一起而产生的时空涟漪,不仅证实了爱因斯坦近百年前对引力波的预测,还有更重要的意义。用斯蒂芬·霍金的话说,引力波提供了一种人们看待宇宙的全新方式。

最近,《自然》杂刊发的一篇文章,讲解了人类借助引力波或可解决的六大宇宙问题。

黑洞真的存在吗?

激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到黑洞合并,一个重要的科学意义就是证实了黑洞确实存在,至少是一种完美的圆形物体,由纯真空的、弯曲的时空构成,像广义相对论预测的那样。天文学家已有了大量关于黑洞的证据,但以往的证据都来自对恒星和超热气体的观察,而非来自黑洞本身。

美国普林斯顿大学广义相对论模拟专家弗朗斯·普雷托里乌斯说:“科学界对黑洞已经非常厌倦了,包括我自己在内,我们认为它是理所当然存在的。但你想一想,这个预测是多么惊人,我们也确实需要惊人的证据。”

LIGO的信号提供了这一证据——也证实了两个黑洞的合并过程与预测一致。当两个黑洞开始互相靠近时,以引力波的形式辐射能量。LIGO探测到了这些波独特的声音,就像小鸟唱歌,科学家称之为“啁啾”,这让科学家能检测两个涉事黑洞的质量:一个约为太阳质量的36倍,另一个约29倍。

接下来,黑洞融合在了一起。它们合并后会变成一个完美的球形,但一开始,就像LIGO看到的那样,以一种逐渐衰减的涟漪形式辐射出引力波。

引力波以光速传播吗?

当科学家开始把来自LIGO的观测与其他类型望远镜看到的结果比较时,首先要检查的一件事就是,这些信号是否同时到达。

物理学家猜测,引力是以一种名为“引力子”的微粒形式传播的,就像光子那样。如果引力子像光子,那它就没有质量,引力波就会以光速传播,符合广义相对论中对引力波速度的预测。引力波速度会受宇宙加速膨胀的影响,但要在极远距离才能显出这种影响,以LIGO的探测距离影响可以忽略。

但引力子有微小质量也是可能的,这意味着引力波的速度小于光速。如果这样,LIGO和Virgo探测到的引力波到达地球所花的时间,会比其他传统天文台探测到的同一事件中发出的γ射线到达地球的时间要长一点,这将对基础物理学产生重大影响。

时空由宇宙弦构成吗?

如果科学家探测到的引力波来自宇宙弦,那会带来更奇怪的发现。科学家假设,宇宙弦是时空弯曲中的缺陷,无比纤细却延伸至整个宇宙那么远,它们可以与弦理论有关,也可以无关。研究人员预测,如果宇宙弦确实存在,它们可能偶尔纽结在一起,如果一根弦断了,就会突然释放出一阵引力波,然后被LIGO和Virgo等探测器检测到。

中子星凹凸不平吗?

中子星是较大恒星在自身重力作用下坍缩后的残骸,它们的密度极大,以至于自身的电子和质子融合成为中子。人们对这种极端物理学还知之甚少,但引力波为研究这些现象打开了独特的视窗。比如,中子星表面强大的引力倾向于把它们变成近乎完美的球形,但一些研究人员认为,它们的表面仍可能有“高山”——虽然只有几毫米高,却让直径只有10公里左右的中子星变得略微不匀称。中子星通常旋转得极快,这种不对称的质量分布会让时空变形,产生持续的正弦引力波信号、辐射能量,并减缓中子星的旋转速度。

互相环绕的一对中子星也会产生持续的信号。这些星体也像黑洞那样,螺旋环绕最终融合,但它们会变成什么样却可能与黑洞大不相同。普雷托里乌斯说:“这有很多可能性,取决于它们的质量和中子物质产生的压力。”比如合并后可能是一个巨大的中子星,也可能立刻坍缩成一个黑洞。

什么原因造成了恒星爆发?

当大质量恒星不再发光,向内部坍缩时,会形成黑洞和中子星。天体物理学家认为,就是这一过程为II型超新星爆发提供了能量。单靠模拟这种超新星爆发还无法解释清楚是什么点燃了它们,根据预测,真实的超新星爆发会产生引力波,倾听这些引力波有望找到答案,研究爆发的波形、声音大小、频率及其与超新星爆发的关系,这些数据有助于检验现有的各种模型。

宇宙膨胀速度有多快?

宇宙膨胀意味着,正在远离我们银河系的物体看起来比实际更红,因为它们发出的光在传播过程中被拉长了,通过比较这种星系红移和它们与我们的距离,能估算出宇宙的膨胀速度。但这种距离通常用Ia型超新星爆发的亮度来计算——这种方法有很大的不确定性。

如果全世界多个引力波探测器探测到了来自相同中子星合并的信号,结合在一起就能估算出信号的绝对音量,揭示合并发生离我们有多远,估计信号来自哪个方向,推导出发生合并的是哪个星系。将星系红移与通过引力波测出的合并距离相比,能独立估算出宇宙膨胀的速度,还可能比现有方法得到的数据更加精确。

 
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2016/4/24 14:42:30 zgj1969529
恒星具体是如何爆发的请关注我的博文《宇宙的起源》
2016/4/24 14:35:50 zgj1969529
恒星的爆发主要是依靠自身的自转速度,和围绕它旋转的星球多少决定的,也就是围绕它旋转的星球越多,自身的自转速度越快(原因是恒星和围绕它旋转的星球上的物质都带有巨大量的电子,因为电子围绕它的中心体旋转,会使它的中心体产生内热),使恒星产生的内热就越大,形成爆发的机会就越大,恒星达到一个非常高的温度时,恒星就会爆发,形成一个具有超强磁场和超强引力的空心磁轴,形成星系中心的黑洞。
2016/2/23 10:48:05 loujinshan
中国的科学家们一定要自觉抵制物理学中的唯心主义思潮,才能促使物理学和自然科学的健康发展。不然,花最多的资金也有可能付之东流!!!
2016/2/22 13:51:39 ceptvv
请那些研究引力波的白痴们回答以下几个问题再说发现引力波:1引力波相对于引力波探测器的传播方向。2引力波的弧度是多少。3引力波的频率宽度是多少。4引力波中的光速是多少。 5引力波经过10几亿光年的传播衰减多少。
2016/2/17 13:03:51 say8818
霍金理论违反了重子数守恒、轻子数守恒定律。相对论的立论基础之一,等效原理不存在。引力质量与惯性质量不相等已经被中子的瓶法-束法实验数据定量地验证了,徐宽定律是对的。所以,卫道士们抬着这尊泥菩萨是过不了河的!
LIGO探测到的是引力的起伏变化,这与大地G值测量月球引起的24小时的波动(约11.6μHz)是一样的起因,而不是挽救相对论的引力波。
目前已有6条评论
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