作者:宗华 来源:中国科学报 发布时间:2016/2/24 9:51:28
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年轻科学家喜搭引力波“便车”
有望开启物理学新时代

天文学家Mansi Kasliwal希望利用引力波信号研究碰撞的中子星。图片来源:Lance Hayashida/Caltech

首次直接探测到引力波打开了物理学和天文学的一个新窗口,使一群在这种长期令物理学家困惑的现象存在与否上赌一把的年轻研究人员终于获得了回报。

建造激光干涉引力波天文台(LIGO)的构想于上世纪70年代提出,并在90年代建成。数十年来,LIGO一直在产生给人以希望的结果。最终,它不负众望——今年2月11日,该项目科学家称发现了被称为引力波的时空涟漪信号。

如今,LIGO的观测结果会改变诸如碰撞的黑洞、爆发的恒星以及宇宙最早期瞬间等超重力环境事件的看法。

“对我而言,最大的改变在于我们真正拥有了数据,并且能最终测试我们的理论。”荷兰内梅亨大学天体物理学家Samaya Nissanke表示。

Nissanke是走进引力物理学领域的众多青年科学家之一,而他们希望利用来自LIGO和类似探测器的数据。“你能以一种真正容纳你的想象力的独特方式,探索极端重力和极端时空。”Nissanke说,“我为它着迷。”

LIGO的一期试验开展了很多年,但并未探测到任何引力波。不过,在去年9月经历了一次重要的升级后,它仅用数日便发现了信号。这强化了认为未来其将捕获很多引力波的信念,而物理学家期望每一次发现都会带来新的见解。

“这一切很快发生的事实的确让我们信心大振。”监管LIGO数据分析的美国佐治亚理工学院物理学家Laura Cadonati表示。不过,该领域在15年前看起来并没有这么美好。当时,西北大学天体物理学家Vicky Kalogera正在计算诸如黑洞、中子星(爆发恒星的超密残留物)等天体物理学研究对象的合并频率。此类撞击被认为是LIGO想要探测的大多数引力波的来源。

Kalogera主导了一些早期计算,以探究两颗中子星可能多久发生碰撞并且离地球足够近,从而使LIGO得以探测到随后而来的引力波。不同团队的估算相差很大,而且包括了一些认为LIGO几乎不可能捕捉到任何引力波的悲观情境。Kalogera面临着一个艰难的决定:是继续开展引力波天体物理学研究,还是转向更有可能获得实际数据的研究主题。

“当每个人都告诉我这是错误的职业选择时,我勇敢地坚持了下来。”她说,“如今,这个领域真的进入了探测时代。”

然而,令人吃惊的是,LIGO首次直接探测到的引力波并非来自双星的中子星系统,而是来自两个大型黑洞。前者被认为相对常见,仅在银河系中便有6对已知的中子星。

不过,很多物理学家仍持有这样一种希望:LIGO和类似探测器很快将捕捉到来自合并的中子星的引力波。这些密度极大的恒星是普通天文学望远镜无法测知的,因为后者并不能探索其异常明亮的表面下藏匿的事物。研究人员必须依赖模型推断其内部正在发生什么。

引力波改变了这一点,能提供诸如中子星精确尺寸以及中子何以如此紧密地聚集在一起的信息。这些答案将来自中子星在终极合并前的最后一刻如何相互盘旋等细节。

“这种可能性是存在的,即通过一种此前被我们忽视的方式,了解宇宙中最致密的稳定物质。”富尔顿加利福尼亚州立大学物理学家Jocelyn Read表示。

当中子星合并时,它们被认为将轻的化学元素熔化形成较重的化学元素,并在随后将这些化学元素喷射到周围环境中。加州理工学院天体物理学家Mansi Kasliwal介绍说,此类碰撞是宇宙中很多重金属的来源,包括大多数已被发现的黄金。

“实际上,我们并未见过强大到足以合成这些元素的爆发。”Kasliwal表示。不过,当LIGO探测到引力波时,天文学家将得以指挥他们的望远镜,扫描释放引力波的那片天空。如果幸运的话,他们将在天空中捕捉到这些金矿的闪光。

在加州帕洛马天文台,Kasliwal已经利用一台1.2米望远镜上的广域相机展开了搜寻。明年,此项工作将升级到利用一台在探测天空时快上12倍的更大型相机。与此同时,在智利开展的一项类似调查也有望于明年开启,从而为南北半球提供追踪引力波探测诱人痕迹的专用望远镜。

天文学家希望最终能拼凑出一幅更加完整的画面,从而将引力波和传统天文学融合起来。得州理工大学天体物理学家Alessandra Corsi表示,这就像看一部电影——图像(电磁波)和声音(引力波)的结合提供了比仅靠任何一个方面都更加完整的画面。(宗华)

《中国科学报》 (2016-02-24 第3版 国际)
 
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