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人类可以“听到”的引力波 精选

已有 10459 次阅读 2016-2-12 12:52 |系统分类:科研笔记|关键词:引力波| 引力波

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-Virgo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!

 

几乎所有人都在追问到底什么是引力波,作用是什么?尽管很多文章试图用通俗易懂的语言解释,但是结果还是差强人意。比如这样的解释:引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动,如同石头丢进水里产生的波纹一样,引力波被视为宇宙中的“时空涟漪”。还有其他解释:引力波是一种与电磁波不同的辐射,无法通过电磁辐射直接观测。引力波与宇宙中物质的相互作用是非常微弱的,因此可以传播至很远的宇宙空间。

 

与其描述的如此复杂,不如做个简单的联想。在哥伦比亚大学物理学教授绍博尔齐·马尔卡看来,人类此前的天文学发现都好似“眼睛”,而引力波的发现意味着人类长了“耳朵”。以前人类探测宇宙依靠的是光波和电磁波,现在有了光速传播的“声音”,人类自然就能获取更丰富的宇宙信息。

 

这个比喻并不是空穴来风,事实上,引力波不仅具备视觉探测所不能及的信息,而且,其探测装置与人的听觉系统还有异曲同工之妙。笔者就从引力波发现的过程和昨天的LIGO的新闻发布会所公布的资料进行简单解释,希望引起读者朋友们更多的思考。

 

引力波的探测信号人类可以听到

 

美国东部时间2015年9月14日5时51分,位于利文斯顿的探测器首先传出撞击声,7毫秒后,汉福德的探测器也传出撞击声。这意味着有引力波传到了地球,并被美国的“激光干涉引力波天文台”(LIGO)的两台孪生引力波探测器探测到。

 

奇怪,怎么会是“撞击声”呢?我们先看一下LIGO公布的GW150914引力波信号,下图是LIGO利文斯顿(左)和汉福德(右)  探测器所观测(预测)到的GW150914引力波的时域(上)和频域(下)信号。注意,这个信号实际上是引力波引起的激光干涉应变随时间和频率的变化,而并非引力波本身。下图显示了GW150914的频率在0.2秒内从35赫兹迅速增加到150赫兹,时间相差7毫秒,这个时间差与光或者引力波在两个探测器之间传播的时间一致。

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35赫兹到150赫兹,这个频段实际上是人类可听到的低频声音,所以才会在激光干涉探测中产生上述类似撞击的声音出现。LIGO给出了这个信号片段,您可以加入声学在线微信公众号(soundonline),来试听一下。但是,用手机喇叭和耳机播放的朋友们就别再尝试了,这个频段普通手机喇叭和耳机是很难播放出来的,需要接到一个专业音响系统中才能感受到人类首次探测到引力波的喜悦!


上面强调了,这并非引力波本身,也不代表引力波激发应变的全部。事实上探测引力波到目前来说学术界共有四种方法,LIGO-Virgo的地面数公里激光干涉探测方法仅是其中一种。而这种方法探测的信号也是以引力波的高频段为主,通常这个频段是几十到几千赫兹,基本都在人类可听的声音频段之内。这种方法探测的引力波主要来源于中子星、恒星级黑洞等致密天体组成的双星系统。其他三种方法则会探测到更多来源的引力波信号,笔者也期待包括中国在内的研究机构,有更多的科研进展。



引力波探测的装置类似人类的双耳

 

引力波有点类似声波(其实完全不同),其穿透力相当之强,宇宙中几乎没有什么可以阻挡,但这也是它的弱点,其信号又是如此微弱,因此就连爱因斯特都觉得几乎不可能探测到这种信号。为探测引力波,美国国家自然科学基金会于上世纪90年代在路易斯安娜州利文斯顿和华盛顿州汉福德各建造了一个激光干涉引力波天文台(LIGO)。每个天文台都有两个长达4公里的测量臂,呈L型排列(下图左为利文斯顿探测站,右为汉福德探测站)。花费了那么多钱和时间,以至于从事这项计划的很多元老都戏谑应该把自己关到监狱,可见这些伟大科学家的责任担当和可爱之处。

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为什么要用两个探测站同时探测呢?事实上,一个探测站利用两个超长的垂直激光臂就能探测到引力波引起的应变,但是这无法测定引力波的来源方向。这点和人类的双耳模型有点类似,人类一只耳朵就能听到声音,但是如果堵住一只耳朵,人类就无法分辨声音的来源。人类利用双耳定位的能力非常重要,如果一只耳朵出现听力下降,这可能会影响到人类的平衡能力,甚至经常产生恶心眩晕的现象。因此,只靠一个引力波探测器还无法确定本次发现的引力波事件及其方位。LIGO的两个激光干涉引力波天文台类似于人类双耳模型,通过引力波信号到达不同探测器的时间差和其信号的强弱,来确定引力波信号的空间位置。这种方法在声学上通常定义为ITD(双耳时间差)和ILD(双耳声级差),也是人类获取声音方位信息的主要参考。

 

这样看来,LIGO花费巨资建设的两个激光干涉引力波天文台,就像安装在地球上的两只巨大“耳朵”,一直试图倾听者宇宙最深处的“声音”。只不过这次LIGO真的非常幸运,刚刚升级完毕就听到了这次足以让全世界物理学家兴奋的“声音”。尽管这次实验仍然需要很长时间再次验证,而且诺贝儿奖也需要等待验证的结果。但不管怎样,这两只“耳朵”已经开启了人类探测宇宙新的篇章。LIGO的雄心显然不满足于这次重大发现,其全球布局的“耳朵”还正在建设。一旦这个“耳朵”大阵列运转起来,人类对于宇宙的探测将从此迈入新的高度。略感到可惜是,国内仅有清华大学参与了LIGO在计算方面的工作,而我们国家引力波计划的天琴卫星还正在筹划发射之中。

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最后,为了更好的普及引力波知识,让大众深入了解LIGO的运作过程,声学在线把LIGO的介绍视频链接也附在此处(http://v.qq.com/page/f/l/e/f0184qe1yle.html),供大家参考。


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人类首次探测到引力波
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