用引力波解开宇宙最深谜团—新闻—科学网

 
作者:冯维维 来源:中国科学报 发布时间:2018/5/24 9:15:50
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用引力波解开宇宙最深谜团
开启天文学研究新疆域

 

图片来源:《自然》

20世纪80年代中期,Bernard Schutz对天文学领域一个最古老的问题——如何测量从地球到宇宙其他物体的距离,提出了新的解决方案。对于几代人来说,研究人员均依靠一个物体的亮度作为测量其距离的粗略评估。但这种方法存在无尽的复杂性。例如,附近昏暗的恒星可能“伪装”成距离遥远的明亮恒星。

英国卡迪夫大学物理学家Schutz意识到引力波可以提供答案。如果探测器能够测量时空中相互作用的遥远天体产生的涟漪,那么科学家就能得到所需要的全部信息来计算信号的起始强度,以及那些涟漪到达地球所需的距离。因此,他预测,引力波是宇宙膨胀速度的明确标记。

他的想法很好但不切实际:当时没有人能探测到引力波。但去年8月,两颗中子星距今1.3亿年前的合并产生的回响被地球上的引力波探测器捕捉到了,Schutz终于有机会测试这一概念。幸运的是,这一事件发生在一个距离相对较近的星系,产生了比Schutz梦想的更清晰的首个测量结果。有了这个数据点,Schutz可以证明他的技术有望成为测量距离最可靠的方法之一。“很难相信。”Schutz说,“但它就在那里。”

更多类似的合并有助于让研究人员解决目前关于宇宙膨胀速度的争论。在若干设施的帮助下,如美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)、意大利比萨斜塔附近室女座引力波天文台Virgo及日本一个类似的探测器,研究人员将很快开始探索更多的合并事件。他们将从太空干涉仪、仍在绘图板上的地面干涉仪,以及其他可能很快产生第一个引力波探测结果的方式中获得更多的洞察。

环绕旋转的线索

对于一个尚不足3年的研究领域来说,引力波天文学在以惊人的速度提供各种发现,这甚至超过了最乐观的预期。除了在去年8月发现的中子星合并,LIGO还记录了自2015年以来的5对黑洞合并为更大黑洞的事件。这些发现是迄今为止证明黑洞确实存在,且具有广义相对论所预测的性质的最直接证据。它们还首次揭示了成对的黑洞在围绕彼此运行。

研究人员现在希望找出这些配对是如何产生的。当大质量恒星耗尽其内核中的燃料坍缩时,会发生超新星爆发,留下质量相当于几个太阳甚至是几十个太阳的黑洞,每一对黑洞中的单个黑洞就会形成。

有两种主要理论解释类似的黑洞是如何相互环绕的:它们开始时可能是在彼此的轨道上运行的巨大恒星,但在每个恒星变为超新星爆发之后仍然环绕在一起。或者,黑洞可能是独立形成的,但后来由于与其他天体之间频繁的相互引力作用而被驱赶到一起——这种情况可能发生在密集恒星团的中心。

无论如何,这些天体的能量逐渐以引力波的形式分散,这一过程将这对天体拉进一个更紧密、更快速的螺旋中,最终将合并为一个质量更大的黑洞。伯明翰大学LIGO理论学家Ilya Mandel说,如果LIGO和Virgo要看到这样的一对融合,通常黑洞开始相互环绕的轨道距离小于日地距离的1/4。Mandel说:“如果从两个距离更远的黑洞开始,它们将会花费比宇宙年龄更长的时间合并。”

迄今为止发现的5个黑洞合并还不足以确定哪种形成场景占主导地位。但在对去年8月前三次探测进行的分析中,包括Mandel和伯明翰大学理论天体物理学家、LIGO成员Will Farr在内的一个团队认为,只要再多观察10次,就能提供支持一种或另一种情况的有力证据。

进一步的观察还可以提供关于黑洞形成和恒星演化的一些基本问题的见解。最终,黑洞探测将勾勒出宇宙的地图,就像目前的星系研究所做的那样,麻省理工学院物理学家、LIGO首席设计师Rainer Weiss说。一旦这些数字堆积起来,“我们就可以开始通过黑洞了解整个宇宙,”他说,“天体物理学的每个领域都能从中获得一些发现。”

期待更多细节

为了提高观察结果,LIGO和Virgo 都计划提高其敏感度,这不仅会揭示更多的事件,还会揭示关于每一次合并的更多细节。在全球范围内建立更多的观测站也至关重要。在日本地下深处正在建造的一个探测器KAGRA或将在2019年末开始收集数据。它的位置,尤其是它对入射波的取向,将补充LIGO和Virgo的观测,让研究人员能够确定引力波的偏振,从而编码关于轨道平面方向和螺旋状运动天体的旋转信息。印度计划在未来10年内建造另一个天文台,该设施的一部分是由LIGO的备用零件制造的。

观测中子星的合并可能会产生更大的发现。到目前为止,研究人员仅宣布了一个类似发现,即GW170817。几乎可以肯定,这个在去年8月观测到的信号是天文学历史上研究最多的事件。它一次性地解决了许多长期存在的奥秘,包括宇宙中金和其他重元素的起源,以及γ-射线爆发的一些原因。

进一步的观察还可以让科学家探索这些物体的内部。例如,中子星被认为是非常致密的天体,可能不会坍缩为黑洞,但它的密度究竟有多大却不清楚。确定中子星的半径可以让物理学家对一些理论进行评估,因为他们预测了不同的“状态方程式”,即连接压力、温度和物质密度的公式。这样的方程决定了物质可在多大程度上被压缩,由此了解一定质量的中子星的宽窄如何,以及类似恒星会有多大。

未来的探测将提供更多的细节。LIGO理论物理学家、宾夕法尼亚大学帕克分校的B. S. Sathyaprakas说,爱因斯坦望远镜——欧洲一个团队所梦想的下一代天文台,将会让物理学家远远超过上限。“我们希望能够将中子星的半径精确到百米级水平。”他说。这样的精确度令人震惊,因为这些天体距离地球数百万光年。

“塞壬”的诱人呼唤

GW170817来自对引力波和光的观测,与此类似的信号可以对宇宙学产生巨大的影响。Schutz在1985年计算出,来自螺旋天体的波频或音高,以及音高增加的速率,可以揭示关于天体总质量的信息。这决定了它们的引力波在源头的强度。通过测量到达地球的波的强度(通过干涉仪采集到的信号的振幅),人们可以估计出引力波从源头开始传播的距离。

在其他条件相同的情况下,例如,一个距离为两倍的源头,将会产生一半的信号强度。这类信号被称为标准警报声,这是对测量宇宙学距离的一种常用方法的认可:被称为标准烛光的恒星有着众所周知的亮度,这使得研究人员可以计算出它们与地球的距离。

在英语中,“警报声”与有着诱惑歌声的女妖“塞壬”为同一个词,如今,标准警报声对科学家的诱惑正像塞壬的歌声一样。通过将GW170817距离地球的距离与该天域星系远离地球的速度进行耦合,Schutz和同事们对哈勃常数(宇宙当前膨胀速率)进行了全新的、完全独立的评估。伊利诺伊州芝加哥大学天文学家Wendy Freedman说,由LIGO、Virgo和其他70个天文学团队在去年10月16日公布的一批论文中的结果,“开辟了宇宙学和天体物理学的一个新时代”。

作为对哈勃常数的直接和独立的测量,标准警报声有助于解决宇宙学家之间的分歧。而通过使用太空干涉仪,如激光干涉太空天线(LISA)——由欧空局计划在本世纪30年代发射的3个探测器项目等,标准警报声可能会成为更强大的工具。在地面上,物理学家也在开始一些“崭新的冒险”,Weiss说。一个美国团队设想了一个拥有40公里探测臂(是LIGO的10倍)的“宇宙探索者”,这将会对更遥远地方发出的信号具有敏感性,或许可以探测到整个可观测宇宙中的信号。

今年晚些时候,随着LIGO和Virgo的重新开放,Weiss愿望清单上的下一个重大发现来自坍缩恒星发出的信号,这也可能是天文学家观测到的一种超新星。他对其他可能的发现寄予厚望。“如果我们没有看到希望的东西,那我将会很失望。”Weiss说。(冯维维编译)

《中国科学报》 (2018-05-24 第3版 国际)
 
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2018/5/26 21:14:12 可变系时空多线矢主人
创新弥补缺陷纠正错误领跑第3次科学革命
(略)
现有科学基础又已存在必须弥补、纠正,的诸多国际流行缺陷、错误,表明:第3次科学革命已迫在眉睫。
狭义相对论创新提出4维时空1线矢,解决了经典物理
学绝对时间产生的根本困难,但是,缺少:4维时空必然客观存在的各维多线矢及其矢算、特别是,非惯性牵引运动系必然产生时空弯曲特性的矢量及矢算、时空相宇的统计,而造成现有基础科学诸多严重错误。 http://blog.sciencenet.cn/blog-226-1094203.html
(略)
创建可变系时空多线矢物理学已对相应科学基础各已知缺陷、错误,进行弥补、纠正,可据以领跑已迫在眉睫的第3次科学革命 http://blog.sciencenet.cn/blog-226-1111247.html
2018/5/24 19:16:20 dsm9393
文中的图形是怎样得出的?是实测还是观测?也许都不是,是幻想出的吗?笔者见过这图形,它是平面螺旋天线,可以接收电磁波,而且是宽频带。
2018/5/24 9:44:42 可变系时空多线矢主人


根本不可能有所谓“引力波”,这些想法都只能是幻想!

根本不可能有所谓“引力波”LIGO却引起闹剧不断上演


http://blog.sciencenet.cn/blog-226-1114818.html
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