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从类星体到引力波 精选

已有 11113 次阅读 2016-2-11 08:55 |系统分类:科普集锦|关键词:LIGO,引力波,双黑洞,黑洞碰撞| 引力波, LIGO, 双黑洞, 黑洞碰撞

20世纪60年代,天文学中有四个重大的发现:星际有机分子,微波背景辐射,脉冲星和类星体。这四个发现都是由研究射电天文方法探测到的无线电波而得到的结论。星际有机分子的发现有助于人类深入了解星云,也有可能由此揭开生命起源的奥秘。其余的三项发现都与“引力”有关,也就是说,直接或间接地为100年之前爱因斯坦建立的广义相对论提供了实验观测的证据。

半个世纪之前被两个美国工程师所观察证实的微波背景辐射,为基于广义相对论来描述宇宙的诞生和演化过程的大爆炸模型提供了十分重要的依据。微波背景辐射使宇宙学成为了一门精准的实验科学,对CMB辐射图细节的分析和研究,至今方兴未艾,详情可见笔者的前几篇博文。

脉冲星实际上是中子星,即核心由中子构成。广义相对论建立之后,天体物理学家们也用这个理论来研究恒星的演化过程,恒星的生命历程是与其质量大小紧密相关的,本质上也就是与引力相关。诸如太阳大小的恒星,寿命大约为100亿年,比如我们的太阳正值中年,或者说,大约再过50亿年之后,太阳会爆发成红巨星,然后冷却,成为白矮星,最后黑矮星(?)。但质量超过3倍太阳的恒星的命运与太阳不一样了,它们在爆发成红巨星和超新星之后,因为它们自身强大的引力,最后将“塌缩”成中子星或黑洞。

发现脉冲星,即中子星的过程颇富戏剧性,那是在1967年10月,一个似乎带点偶然的事件。安东尼·休伊什(Antony Hewish,1924年-)是一位英国射电天文学家,他设计了一套接受无线电波的设备,让他一位女研究生贝尔·伯奈尔日夜观察。贝尔在收到的信号中发现一些周期稳定(1.337秒)的脉冲信号。这么有规律!难道是外星人发来的吗?贝尔兴致勃勃地向休伊什报告并继续将收到的信号加以研究,两人将这些信号称为“小绿人”,意为来自外星人。但后来又发现这些脉冲没有变化,不像携带着任何有用的信息。最后人们将这一类新天体称为“脉冲星”,并且确认它们就是30年前朗道预言的中子星,发出的脉冲是中子星快速旋转的结果。安东尼·休伊什也因此而荣获1974年的诺贝尔物理学奖,但大多数人对贝尔未能获奖而愤愤不平。比如霍金在《时间简史》一书中,就只说脉冲星是贝尔发现的。

中子星虽然密度极大,大到难以想象的程度,但它毕竟仍然是一个由我们了解甚多的“中子”组成的。中子是科学家们在实验室里能够检测得到的东西,是一种大家熟知的基本粒子,在普通物质中也都存在。而黑洞是什么呢?就实在是难以捉摸了。黑洞从通俗的意义上理解就是任何东西进去就出不来,光也是如此。从广义相对论的角度而言,黑洞是空间的一个奇点。因此也可以说,恒星最后塌缩成了黑洞,才谈得上是一个真正奇妙的“引力塌缩”。

刚才说到的60年代天文界“四大发现”的另一个是类星体的发现。为什么叫类星体呢?因为如果用光学望远镜观测它们的外貌,看起来与恒星(星体)似乎没有任何区别。但是,从它们观察到的“红移”值非常大,又不可能是恒星,因此便被称为“类星体”。

从类星体的红移值,它们更像是星系,然而,也可以从观测类星体的光度变化周期来判定它们的大小,结果却发现其大小远远小于一般星系的尺度。类星体的尺度虽小辐射能力却相当的大。另外还有一些难以解释的特点,以及后来大量的观测数据,使得人们将它们与黑洞联系在一起。

之后,发现了类星体的宿主星系后,天文学的主流观点基本上认为类星体是年轻而活跃的星系核,是星系发展早期的一段过程,叫做“活动星系核”(AGN)阶段。而在星系核的中心,是一个巨大的超重黑洞,在黑洞的强大引力作用下,一些尘埃或恒星物质围绕在黑洞周围,形成了一个高速旋转的吸积盘。外部的物质被吸进吸积盘,而卷入到黑洞视界以内的物质则不停地掉入黑洞里,被黑洞吞噬,巨大的物质喷流从与吸积盘平面相垂直的方向高速喷出,同时伴随着大量的能量辐射。

类星体最后将会演化成如同我们银河系这一类旋涡星系,或者是另外一类:椭圆星系。

最有意思的是,后来天文学家们观察到一些拥有两个超重黑洞的类星体,这就大大激发了人们的兴趣。黑洞既然会吞噬周围的一切,那么,两个黑洞碰到一起,会发生一些什么呢?最简单最直观的猜测应该是:它们将互相吞噬,最后合并成一个更大的黑洞。在这个碰撞融合的过程中,一定会以引力波的形式释放大量能量,见图1


1:双黑洞类星体

第一个在吸积盘内发现有双超重黑洞的类星体是位于室女座的PKS1302-102,它距离地球35亿光年。这个类星体位于一个椭圆星系内。根据计算,这两个黑洞应在33.39亿年前就已经互相吞噬而合并了,但这合并后的景象传到我们这儿需要35亿年!这些光信息还在半途中,因而我们仍然观测到“双黑洞”!不过,从现在开始,从这个类星体接受到的信息应该是非常精彩的,能让我们看到两个黑洞如何碰撞并合并!

此外,除了光信号之外,还有物理学家们正在寻找的引力波,这是爱因斯坦在天国里也要“梦寐以求”的东西啊。根据天体物理的理论,认为引力波也是按照光速传播的,那么,碰撞合并事件中的引力波,也应该可以被探测到!

于是,双黑洞的类星体成为探测引力波的热门候选天体,近几年,美国的LIGO(激光干涉引力波观测站)的观测目标便指向了这类天体。美国花费巨资升级的LIGO应是目前最有希望观测到引力波的仪器,最近几天传出不少新闻,据说捕捉到了引力波,《自然》和《科学》杂志都有隐约其辞的文章。明天(211日)上午1030分,华府将有一个新闻发布会,会确认这个消息。专家们将向全世界宣布首次直接探测到了引力波的消息,据说是遥远宇宙空间之外的,由两个黑洞(36倍太阳质量和29倍太阳质量)碰撞并合成一个62倍太阳质量的黑洞所引发,但愿这次的结果能够进一步得到验证,不要像上次的中微子事件那样了。


2:两个黑洞碰撞并融合的计算机模拟图

 

 

 

 

 

 




人类首次探测到引力波
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