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捕捉引力波背后的故事(之六):“外星人”来电中的引力波 精选

已有 5111 次阅读 2018-3-6 07:59 |个人分类:科学历史|系统分类:科普集锦

1960年代是一个属于年轻人的癫狂时代。英国的披头士(Beatles)乐队风靡半个地球,美国的嬉皮一代在反战、吸毒、摇滚乐中颓废,法国大学生走上街头,中国红卫兵掀开文化大革命的序幕。

在英国的剑桥大学,24岁的研究生贝尔(Jocelyn Bell)却把她的青春赋予埋电杆、拉电线。

麦克斯韦尔通过他的方程组揭示出光只是一定频率段的电磁波后,一直在仰“望”星空的天文学家意识到我们不仅可以用眼睛看星星,应该也能接收到来自外星球的其它频率的电磁波。不过,这些电磁波绝大部分被地球的大气层吸收,不能抵达地面。(对人类来说这不是遗憾而是幸运,否则我们会因为辐射而得各种疾病,有性命之忧。)在人造卫星之前,除了少量高空气球试验,地面上能接收的电磁波只是处于无线电波段的一部分。利用这部分电磁信号的研究叫做“射电天文学”。

1960年代初,天文学家用射电望远镜发现了“类星体”(quasar)——有很强无线电辐射的一种未知星体。贝尔的导师休伊什(Antony Hewish)希望做这方面的研究,却没有多少资金。他只好找学生在一片将近两万平方米的空地上竖起一千根电杆,拉上总长近二百公里的电线,成为自己山寨的射电望远镜。

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24岁的贝尔和她用来测量宇宙射电的天线阵

包括贝尔在内的五六个学生花了两年时间才完成这个工程。1967年夏天,她整天把头埋在没完没了的记录纸中,察看纸上记录的那些晾衣绳一般的天线上接收到的电波,辨认着来自类星体的信号。几个星期后,她突然注意到一个不寻常:有一连串的电脉冲非常有规律地每隔1.33秒出现。她连续跟踪了几天,发现它总是在天线阵对着天空同一方位时出现。很快,她们确定了该信号来自太阳系之外,不是地球人的作为。这么规律、高频的信号在天文观测中还从来没有过先例,最可能的……莫非是有外星人在给地球发电报?

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贝尔在记录纸上电波图中找到的第一个脉冲星信号系列

他们依据科幻艺术中惯常的形象把这个信号命名为“小绿人”(Little Green Men)。

贝尔很懊恼。她一门心思只在尽快收集到足够类星体的数据好完成博士论文,小绿人来捣这么个乱纯粹是节外生枝。休伊什召集了一些专家开会,商议如果证实发现外星人如何知会政府、告知公众。贝尔则回到她的小屋子,再度埋头于记录纸堆。功夫不负有心人,她在过去的纸卷中又找出了另外三组类似的脉冲系列,分别来自完全不同的太空方位。她长舒一口气:这不会是天外文明,因为彼此相距几亿光年的四拨小绿人不可能不约而同地采用同样的方式来找地球人联络。

通过对太阳和其它恒星的光谱观测,结合第二次世界大战前后发展的核物理知识,科学家这时已经知道恒星内部基本上全是氢。这些巨大的“氢气球”在自身引力的重压下内部形成极高温而发生持续的热核反应:氢聚变成氦并释放出光和热。核反应产生的能量抵挡了重力,形成动态平衡。所以恒星看起来非常稳定,夜复一夜地发光。但氢燃料总会有耗尽的一天。一旦热核反应终止,整个恒星便会在重力压迫下急剧塌缩。越大、也就越重的星塌缩得越剧烈。我们太阳一般大小的恒星会塌缩成“白矮星”、再大一些的塌缩成“中子星”、而更为巨大的恒星就会塌缩成“黑洞”。

贝尔发现的,就是中子星。

当星球塌缩的压力足够摧毁原子的结构时,电子会被挤进原子核与质子合并成为中子。于是整个星球变得完全由中子组成。作为燃料耗尽“死亡”了的星球,中子星基本上不再发光,无法用光学天文望远镜观察到。但有些中子星还会有很强的磁场,转动时会发射电磁波。与地球类似,中子星磁场的南北极不一定与其自转轴的南北极重合,会有一个偏角。当电磁波顺着磁极方向往外发射时,这个无线电波束随星体自转便在宇宙中转圈扫描,有如旋转灯塔里发出的探照灯光束。如果地球恰巧被这个波束扫中,就会接收到一个电脉冲。贝尔发现的第一组信号就是这样的一颗中子星,它每四秒钟就自转三圈,于是贝尔的纸带上每1.33秒出现一个脉冲记录。

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脉冲星示意图。垂直的绿线是脉冲星自转轴,白色曲线是磁力线,蓝色的“光束”是脉冲信号发射方向。随着星体的自转,“光束”像探照灯般转圈扫描。

我们地球自转周期是24小时,基本上很稳定。这是因为宇宙空间没有摩擦力,自转不会自己变快变慢。只是地球的自转会受到月球、其它行星还有自身地震等因素影响,不是完全一成不变。中子星很孤独,它们的高速自转除了发射无线电波损失能量和自身偶尔的“地震”这些可忽略的影响外,完全没有干扰。因此它们的信号周期异常地稳定,精确度高于地球上当时最准确的钟表。

休伊什把它叫做“脉动中的星”,并生造了一个英文词“pulsar”(脉冲星)来命名。这个词很快被用作美国第一款电子表的牌子,以彰显该表的精度。直到今天,它还作为汽车、摩托车的品牌出现在大众视野。

排除外星人的干扰后,贝尔终于完成了她的博士论文。论文主题是类星体,脉冲星只在最后的附录中提到。但她的这个近乎偶然的发现却开创了天文学一个崭新的领域。1974年,休伊什荣获诺贝尔奖。评委们却没有考虑过贝尔是否也应该分享这份荣耀。

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脉冲星发现的论文发表后,立刻引起了美国一位年轻人的注意。26岁的泰勒(Joseph Taylor)刚刚从哈佛获得博士学位,立刻决定改变研究方向,一头扎进寻找脉冲星的热潮中。

当时恰好美国领地波多黎各岛上的阿雷西博(Arecibo)射电望远镜落成。这是一个超大型的射电望远镜,顺着山势建设,其抛物型天线口径达305米。它在建成后半个世纪中一直保持世界之最,直到2016年被中国贵州的500米口径望远镜(FAST)超越。暂时还未能被取代的是它的电影明星地位:1995年邦德(James Bond)谍战片《黄金眼》(GoldenEye)中,007与叛变的006便是在阿雷西博望远镜上决斗。

阿雷西博望远镜主要由美国康奈尔大学主持设计管理,初衷是研究地球高空电离层物理,但脉冲星的发现改变了她的使命。1970年代初,岛上聚集了一群康奈尔大学天文学研究生,发挥各种技能研究脉冲星。其中有泰勒的研究生赫尔斯(Russel Hulse)。

他们有这个强大的望远镜,可以探测到非常微弱的信号。他们更不再需要像贝尔那样肉眼寻找纸带上的蛛丝马迹,而是用计算机程序做自动分析。这样,赫尔斯平均每十天就能发现一颗新的脉冲星。原来整个宇宙都遍布着一直在给我们发电报的“小绿人”。而还有更多的中子星我们观测不到,因为它们或者没有强磁场或者他们发出的电波束没有扫描到地球。

最引起赫尔斯注意的是1974年夏天他发现的一颗星。这颗星自转极快,周期是0.059秒,也就是一秒钟内它就转了17圈!更奇的是它这个自转周期并不像其它脉冲星那么精确,过两星期后再测时发现有接近万分之一秒的改变。赫尔斯没有对这微小的偏差掉以轻心,而是持续跟踪测量,终于发现这个偏差本身也有自己的周期性:似乎那颗星的自转会慢慢地变慢,然后又慢慢地恢复,然后慢慢地变快,然后慢慢恢复……如此循环往复。怎么会出现这样的情形呢?

赫尔斯恍然大悟:不是这颗星的自转周期在变化,而是它自己在相对地球作周期性的运动。因为物理学中熟知的“多普勒效应”,相对运动中物体发出的信号频率会有变化。如果该星在朝向地球而来,它后来发出的信号走的路要比先前发的稍微短一些,这样测到的脉冲周期就显得在变短;反之,它离开地球远去时,我们测得的脉冲周期就越来越长。

那么,这颗星为什么会自己这么来回运动呢?其实,它是在绕着另一颗星公转。那颗星恰好我们在地球上观测不到。

赫尔斯发现了第一个双中子星系统。

虽然他们手上的数据极其有限:一颗星看不见,一无所知;一颗只能收到它自转的脉冲信号,但泰勒和赫尔斯凭借这点线索便能推算出很多名堂:从周期变慢和周期变快的时间差他们知道轨道不是圆形,而是很长很扁的椭圆。这个椭圆轨道自身也在“进动”。根据多普勒效应,从信号的微小变化又可以计算出轨道速度。从这些轨道参数又可以推算出中子星的质量,包括那颗看不见的中子星的质量。

经过这一系列的推演,他们发现这两颗星的质量差不多,都接近于一个半太阳。半径则只有10公里左右(可见其塌缩的程度)。它们之间的距离最远时有三百多万公里,最近时约75万公里(这个距离差不多是我们太阳的半径)。而它们公转的轨道速度异常快,达到光速的千分之一。如此的质量密度,如此相近的距离,如此之快的速度,它们是检验爱因斯坦相对论的天然实验室。泰勒和赫尔斯发现理论的预测与他们的测量结果符合的相当完美。赫尔斯以此工作顺利地获取了博士学位。

赫尔斯离开后,泰勒与新来的博士后韦斯伯格(Joel Weisberg)继续研究这个少见的双子星。他们再度脑洞大开:这不也是一个检验引力波的现成实验室吗?

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1911年,英国物理学家卢瑟福(Ernest Rutherford)通过散射实验发现原子是由原子核和电子组成时,他提出了新的原子模型:电子在原子核的外围轨道上围绕原子核旋转,就像行星围绕太阳公转一样。这个图像后来被广泛引用于各种与原子或电有关的标志中。

可是这个模型有一个致命的缺陷:电子的运动会产生电磁波,造成能量损失。因此电子的速度会越来越慢,轨道越来越小,最终湮没于原子核中。因此这个模型不稳定,不可能实际存在。这个困难直到量子力学的建立,将经典的电子轨道改成量子的电子态才得以解决。

广义相对论中的引力波与电磁波类似。行星围绕恒星的运动也会因为发射引力波而失去能量,行星轨道也应该随之萎缩。好在我们生存的地球质量小、速度低,其轨道运动所发出的引力波微乎极微,无法察觉。(地球因为引力波的耗散而失去轨道稳定的过程至少需要1014亿年。我们不必为此操心,因为宇宙的年龄也不过100多亿年,而我们在地球上赖以生存的太阳本身的寿命也只还剩下50亿年。)

有意思的是,早在1930年代,当物理学家还在争论引力波是否存在、能否传递能量时,理想化的双星系统也是他们研究的焦点之一。因为广义相对论方程的复杂性,专家们计算出完全不同的结果:有人说双星会释放引力波耗能而发生轨道衰减;有人则完全相反,说它们其实会从外界吸收引力波能量,轨道反而会扩张。正如费曼所评论的那样,没有实验数据做参照时,理论家只能莫衷一是。

中国理论物理学家胡宁也是那场争论中的一员。1947年,胡宁在爱尔兰做博士后时研究了双星引力波问题。他最先在都柏林王家学院宣读论文时说引力波会导致轨道衰减,但在正式发表论文时又附加了一个更正,表示原来计算有错,符号反了——双星系统其实会吸收引力波而导致轨道扩大。直到1979年,已经是北京大学教授的胡宁在意大利的学术会议上再度发表论文,再度纠正三十多年前的结论。他解释说当初的错误在于选错了边界条件。

泰勒和韦斯伯格在1978年想到这个问题时,已经不再有理论上的争议。按照他们已知的中子星质量和轨道参数,广义相对论指出,因为引力波的能量损失,两个星星的平均距离会在一年内减小3.5米、公转周期减少76.5微秒(0.0000765秒)。虽然这些数值非常微小,却已经是可以用阿雷西博测量出来的了。果然,他们证实了广义相对论的推断。同时,物理学家终于可以确信无疑:引力波的确是存在的。

自那以后二十多年,韦斯伯格一直在跟踪测量这个双子星的轨道,可以持续看到轨道越来越明显的缩小,与广义相对论的预测惊人的一致。随着时间的推移,这两颗星将越来越快地加速接近,直到最后直接碰撞而合并。

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双中子星因为引力波辐射的轨道衰减的测量结果(数据点)和广义相对论的理论预测(曲线)的比较。

1993年,泰勒和赫尔斯因为他们的发现获得了诺贝尔奖。韦斯伯格榜上无名。

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爱因斯坦在1915年提出广义相对论时,就已经通过了光线弯曲和水星近日点进动两大检验。在那之后,这个理论相继在引力钟慢、引力红移、中子双星轨道等实验中完美地经受了考验。泰勒和韦斯伯格的测量,不仅是人类第一次间接地证明了引力波的存在,而且再次确立了广义相对论的不朽地位。

这一切,都起源于1967年夏天那个令贝尔颇为烦恼的小绿人给地球发来的电波。

与此同时,泰勒、赫尔斯、韦斯伯格和他们的同行们已经在我们的银河系中发现了两千多个脉冲星,其中几十个属于双星系统。在那之外还有众多我们无法观测到的中子星、双星。我们现在确定地知道这些双星的轨道运动会生成引力波,只是过于微弱,地球上现有的设备还无法直接测量出来。

但我们也更加知道,双星的轨道在衰减、在缩小。茫茫广宇中,应该有很多双中子星、甚至双黑洞正在急剧地加速接近,迟早会发生碰撞,或者已经发生了碰撞、合并。这会是异常剧烈的天文事件。它们会激发出引力波的“海啸”,奔向我们的地球,也许会携带着足够的能量可以为人类所测知。

只是,地球上期待着聆听这天籁之音的韦斯——和他的朋友索恩、布拉金斯基、德瑞福们——准备好了么?


(待续)




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