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重力波是否真的存在?

已有 5791 次阅读 2016-9-15 13:02 |个人分类:未分类|系统分类:科研笔记|关键词:重力波,LIGO,相对论,爱因斯坦,黑洞,中微子| 相对论, 爱因斯坦, 黑洞, 重力波, LIGO

1. 今年初科学界发表了一个重大的发现,宣布首次检测到重力波的存在。

爱因斯坦一百年前在其广义相对论中假设了重力波。根据相对论,空间与时间形成了一个交织的“空时”(spacetime)系统。在这个系统内,时空的弯曲度与重力源有关。当重力源变化时,时空的弯曲度也会随着变化。这种弯曲度的变化不会停留在一处,而是会传播开来。这就是“重力波”(gravitational wave,或称“引力波”)。

20世纪中叶以来,许多科学家设计了种种实验去检测这个理论上的重力波。但都没有成功。2016211日,美国的一个名叫LIGOLaser Interferometer Gravitational-Wave Observatory 激光干涉重力波天文台)的实验小组宣布了一条重大新闻:他们终于探测到重力波了。


2. 这个发现所根据的数据

探测到重力波的是两个相距3000公里的 LIGO探测仪。它们分别位于美国南部的路易斯安那州和美国西北部的华盛顿州。根据LIGO发表的文章(Ref.1 Phys. Rev. Lett.116, 061102),检测到重力波的信号是极小的。图1LIGO探测到重力波的信号图像。


1LIGO探测到重力波的信号图像(摘自Phys. Rev. Lett.116, 061102 Figure 1

从图1可以看出,这次LIGO探测的重力波最大的信号为十万亿亿分之一(10-21)。这是个什么概念呢?探测器的臂长是4000米,这个长度的十万亿亿分之一是4x10-18米,而一个氢原子的半径约为1.2x10-10米。也就是说,LIGO探测到的长度变化只有一个氢原子半径的一亿分之一的数量级。不过,对于LIGO的领军者之一Dr. Weiss而言,他认为这次探测到的重力波信号已经大得超出了他的想象(“It was amazing. The signal was so big, I didn’t believe it.”)(Ref.2 Gravitational Waves Detected,Confirming Einstein’s Theory)。

报告中指出,两个LIGO的观测站同时探测到的信号长达0.2秒。从路易斯安娜州探测到的信号比华盛顿州的信号早约7毫秒,这个时间差显示重力波可能是从南部天区传来。


3. 对这些数据的解释

LIGO科学家分析以上数据后认为,这次探测到的重力波是由13亿光年之外的两颗黑洞在合并的最后阶段产生的。两颗黑洞的初始质量分别为大约29颗太阳和36颗太阳,它们以光速的一半的速度接近,互相快速旋转,最终在0.2秒内合并成了一颗62倍太阳质量的高速旋转黑洞。在这个合并过程中,两颗黑洞部分的质量转换为能量,以强大重力波的形式释放到宇宙空间。根据他们的计算,这一事件释放的能量相当于我们太阳的质量的三倍。这种辐射能量比目前宇宙中所有星星所释放的能量的总和还要高出50倍!(Ref.2 Gravitational Waves Detected,Confirming Einstein’s Theory


4. 这个发现的公布成了全球的大新闻

如果LIGO公布的发现是真的话,这是非常了不起的事情。这是人类首次探测到重力波的存在,也是科学家首次观测到两个黑洞合并的惊人发现。关于这一发现的新闻立刻引起全球的关注。许多顶尖的媒体,包括,《自然》、《科学》、《纽约时报》、BBC新闻等等,都很兴奋地报道LIGO的重力波发现和爱因斯坦预言的成功。

LIGO计划的三位领军科学家:Kip Thorne ( 加州理工学院), Rainer Weiss (MIT) Ronald Drever (从加州理工学院退休) 也成为了媒体关注的明星。科学界和媒体纷纷开始预测究竟哪几位LIGO的科学家会获得诺贝尔奖了。


5. 最近的研究报告显示,从中微子的观察检测不到LIGO宣称的黑洞合并

如上所说,两个黑洞的合并会释放极大的能量,理论上这样的天文事件应该能够从其它光谱上探测得到。然而,在过去几个月来,一直没有别的天文观察能够证实LIGO宣称的黑洞合并的发现。相反的,最近的研究显示,从中微子(neutrino)的观察检测不到LIGO宣称的黑洞合并。两个中微子观察站(IceCube and Antares)分析了在LIGO发现黑洞合并前500秒到合并后500秒之间的数据,在LIGO宣称黑洞合并的方向并没有发现中微子通量的大幅增加(Ref.3 Phys. Rev. D 93, 122010)。按理来说,如果真的发生了巨大黑洞的合并,应该会发现很多中微子才对。


6. 等着回答的两个重要问题

因此,我对于LIGO此前公布的探测结果有一些疑问。我认为在相信LIGO的结果之前,我们首先必须回答以下两个问题:

  1. 我们是否可以排除其它对LIGO信号来源的解释?例如由地震引发探测器的震动?两个LIGO探测器分别位于路易斯安那州和华盛顿州。它们同处于北美地质板块上。因此,它们同时探测到的信号有可能是北美板块的震动。如何排除这个可能性呢?

  2. 重力波的来源(两个黑洞的合并)是否可以通过其它观察来验证?LIGO的报告认为是两个黑洞的合并产生了被探测到的重力波。黑洞的合并会释放出极大的能量,应该可以用观测不同能量波谱(different energy spectrum)的实验来验证。有这方面的实验证据来支持LIGO的发现吗?

到目前为止,我还看不见其它的实验证据。而唯一一个有关的研究报告,就是前面提到的中微子的分析报道,与LIGO公布的发现似乎不太吻合。


7. 这个故事很快就可以被验证是真的还是假的

那么,LIGO到底是否真的发现了重力波?目前也许言之尚早,这还有待更多的观测结果。不过,这个问题在几年内肯定就会有答案的。目前有好几个探测重力波的计划都在启动了。除了美国的LIGO重力波探测器之外,法国和意大利合作的VIRGO探测器很快就要上线了。还有德国和英国合作的GEO600也会启动,日本的KAGRA也正在建设中。除了地基重力波探测器之外,科学家也在积极筹备LISA(激光干涉太空重力波天线)。也有科学家在利用一种叫PTA(pulsar timing array,脉冲星计时阵列)的射电望远镜检测方法来探测重力波。中国也开始筹备一个重力波探测工程“天琴计划”。该计划已经于20157月份正式启动。或许不久的将来我们就能确定这次LIGO的发现到底是不是重力波了。


参考文献:

  1. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaborationand Virgo Collaboration) Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger”, Phys. Rev. Lett.116,061102

  2. Dennis Overbye, “Gravitational Waves Detected, Confirming Einstein’s Theory”,New York Times, FEB. 11, 2016

  3. S.Adrián-Martínez et al. (Antares Collaboration, IceCube Collaboration,LIGO Scientific Collaboration, and Virgo Collaboration) High-energy neutrino follow-up search of gravitationalwave event GW150914 with ANTARES and IceCube”, Phys. Rev.D 93, 122010





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