一个13亿年前的声音 经过漫长旅行终于抵达地球|引力波|射电_凤凰资讯
一个13亿年前的声音 经过漫长旅行终于抵达地球
用微信扫描二维码分享至好友和朋友圈
这个声音源自于13亿年前一个双黑洞系统的合并。那时“多细胞生物才开始在地球上扩散”。合并所产生的引力波信号，经过13亿年的漫长旅行，于日抵达地球，被LIGO（激光干涉引力波天文台）的两个探测器以7毫秒的时间差先后捕捉到。
原标题：一个13亿年前的声音 经过漫长旅行终于抵达地球两个正在旋转合并的黑洞模拟图。引力波探测器很像一个圆规，不过更为巨大，每条“腿”各有4千米长。在一片嘈杂的背景噪音中，一声“噗”的清脆声响，如水滴落水，持续时间短暂得不到1秒，这正是由引力波转化成的宇宙之声——美国科学家在11日播放了来自宇宙的“声音”，宣布第一次直接探测到引力波的存在。这个声音源自于13亿年前一个双黑洞系统的合并。那时“多细胞生物才开始在地球上扩散”。合并所产生的引力波信号，经过13亿年的漫长旅行，于日抵达地球，被LIGO（激光干涉引力波天文台）的两个探测器以7毫秒的时间差先后捕捉到。引力波是爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”，它的发现是物理学界里程碑式的重大成果。这是人类第一次“听”到宇宙的“声音”。实际上，中国也正在积极布局引力波探测和研究，中国科学院16日公布了空间引力波探测与研究的“空间太极计划”。你看的空间实际可能是弯曲的引力波是一种时空涟漪，如同石头被丢进水里产生的波纹。黑洞、中子星等天体在碰撞过程中有可能产生引力波。1915年，爱因斯坦发表广义相对论，并在随后几年的一些论文中预言引力波会产生于强引力场的天体事件。很多人都听说过爱因斯坦的广义相对论，但并不知道它讲了什么。事实上，广义相对论的很多推论是人们的直觉无法理解的。比如这一项——引力的定义。在广义相对论中，引力被归咎与时空的弯曲。“时空弯曲是什么鬼？”相信大多数人听说之后都是这个反应。它的意思是，我们平时看到的空间貌似是平直的，但真实的情况中，却是像哈哈镜里一样扭曲的。这种扭曲是物质造成的，质量越大，扭曲就越大。我们可以把宇宙想象成一个蹦床，如果没有任何扰动，它是平坦的。但有质量的物体出现时，比如一个鸡蛋，来游乐场的小孩子，或者是地球这样的庞然大物，它就会变得弯曲。但这种弯曲，对于生活在蹦床上的微小生物——比如人类——来说，一是由于我们跟着蹦床一起弯曲了，二是由于这种弯曲太微小，我们完全感觉不到这种弯曲。但如果这个大质量物体发生变化——鸡蛋被吃了，小孩子蹦走了，或者地球爆炸了——蹦床就会开始震动，这种震动就是引力波。当然，跟着一起震动的我们也感觉不到它在震动。如果地球消失了，周围的空间就会开始震动，像涟漪一样传播开去星际穿越或许要靠它对于大众来说，或许会怀疑花费这么多美元去探索引力波有何意义。我们从小都被告知一个最著名的猜想——宇宙是在一场爆炸中诞生的。这意味着，在时空的开始时，这个大蹦床有一次最剧烈的震动。引力波就能让我们还原这个震动它是否存在，有多大规模，诸如此类。除此之外，引力波还能让我们知道，我们看不到的宇宙空间在发生什么。据科学家说，这次的引力波就是我们看不到的超级远的距离上，我们看不到的超级大的黑洞的变化引起的。如果你是《三体》迷，你就可以理解，如果在很远的星系一个文明被高阶文明炸掉了，我们能够第一时间通过引力波知道这个事情是多么重要。探测到引力波，人们将能为大爆炸理论和宇宙膨胀理论找到更有力的证据。未来，或许真正的星际穿越等，都需要建立在人们获得的引力波知识之上。引力波太“高冷” 100年前爱因斯坦预测过先来认识下引力。它无处不在，主导了宇宙和星系。引力是人类最早定量认识的相互作用。牛顿发现引力后的几百年，物理学进展很多。尽管牛顿的万有引力定律有着几乎完美的实验验证，但观念上把时间和空间分开考虑。而1915年爱因斯坦提出的广义相对论，进一步研究了引力和“时空几何”的关系，认识到引力是一种非常特殊的相互作用。这革新了牛顿的引力观念和时空观念。广义相对论论证一个重点就是，引力的本质是时空几何在物质影响下的弯曲。1916年，爱因斯坦又在广义相对论框架下发表论文，论证了引力的作用以波动的形式传播。这就是引力波的由来。遗憾的是，引力波太“高冷”，人类百年来一直不能探测到它的存在。为什么？由于引力波产生的效应很小，如果不主动去除外界干扰，不可能从“背景波动”中分辨出引力波信号。地震波、火车噪声、观测设备本身的极微小活动等都会构成干扰。20世纪90年代起，大型激光干涉仪引力波探测器开始在全球范围内兴建，真正拉开了引力波探测黄金时代的序幕。美国分别在路易斯安那州利文斯顿市与华盛顿州小城汉福德市建造了两个激光干涉引力波探测器（LIGO）。10多个国家超过1000名科学家参与了这个搜寻引力波的项目。日北京时间17点50分45秒，位于利文斯顿与汉福德的两台探测器同时观测到了后来被命名为GW150914的引力波信号。科学家们通过进一步的数据分析还证实了这是两个黑洞合并的事件。这也是为什么去年9月探测到引力波信号却拖到最近才宣布。这些科学家还相信，随着探测器灵敏度的提高，今年应该会探测到更多引力波信号。趣读>探测器最近一次升级 花了几十亿美元趣读>探测引力波需要探测器具有极高的灵敏度，还需区分开来引力波信号和环境或仪器噪声。引力波探测器很像一个圆规，不过更为巨大，最近的一次升级就花去了几十亿美元。LIGO拥有巨大的L形测量臂，每边各有4千米长，两端设有反射镜面。发出的一束激光沿着L形互相垂直的两边前进并被来回反射。一般情况下，激光由于干涉而互相抵消，探测器接收不到光信号，但一旦引力波经过，便会改变激光通过的距离，从而被观测到。LIGO的原理是什么？假设我们有两个短跑运动员，他们在任何情况下跑步速度都一样，那么，如果跑道因为引力波扰动，长度发生了变化——就像蹦床表面会因受力，在一个方向上拉伸一样，他们从LIGO的两条腿上跑回来的时间就会发生些微的差异。我们就知道，空间确实在震动。然而，这并不是那么简单的。最简单的两个原因——第一，震动太小了，也许4000米只会发生0.000001米（这里应有17个0）的变化。虽然圆规腿已经这么长了，这也这只是勉强能让我们感觉到两侧运动员，也就是激光回来的差异。第二，我们不能让诸如跺脚、打喷嚏或是地震影响我们的观测，所以要用各种设备让两条腿稳定。同时，还要在很远的地方再建一个，如果两个都震了，就知道这不是科研人员绝望情况下掀桌子引起的。公式中国瞄准引力波打“太极”弹“天琴”随着人类在2016年初宣布首次直接探测到引力波，取得科学上的重大突破，中国科学家一系列与引力波探测相关的计划也浮出水面，备受关注。2月16日，中国科学家公布了一项新的空间探测引力波计划——“太极”。1.太极计划中欧合作发射卫星组探测引力波中国科学院院士、太极计划首席科学家胡文瑞透露，太极计划的设想之一是在2030年前后发射三颗卫星组成的引力波探测星组，用激光干涉方法进行中低频波段引力波的直接探测，目标是观测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射，以及其他的宇宙引力波辐射过程。据悉，太极计划是一个中欧合作的国际合作计划，目前有两个方案。2.阿里观测项目中美合作研制望远镜寻找原初引力波宇宙暴胀理论认为，在大爆炸发生后的极短一瞬间，宇宙经历了一场快速膨胀，时空产生了剧烈扰动。该过程中产生的“原初引力波”就会在宇宙微波背景辐射中留下可探测的印迹。寻找原初引力波，就是要在这一微波背景辐射找到引力波的独特印记。2014年5月，中科院高能物理所研究员张新民带领团队提出在海拔5000多米的阿里开展CMB实验研究。中科院高能所副研究员李虹说，阿里望远镜与位于南极的BICEP望远镜原理类似，但精度更高，中美将合作研制。3.FAST项目天坑中建造地球上的最大“耳朵”中国西南贵州，在形成于4500万年前的巨型天坑中，科学家与工程师们正在建造面积相当于30个足球场的世界最大单口径射电望远镜。它像一只庞大而灵敏的“耳朵”，将捕捉来自遥远星尘最细微的“声音”。“大耳朵”正式的名字是：500米口径球面射电望远镜，英文名缩写为FAST。这项中国有史以来最大天文工程，预计2016年9月竣工。中科院国家天文台射电部首席科学家李菂说，FAST的一个重要目标是利用脉冲星探测引力波。引力波会使脉冲到达时间发生变化。如果能观测到全天的脉冲星或者某一方向上的多个脉冲星周期发生变化，就能探测到引力波。4.天琴计划拨动天空的“琴弦”需四阶段此前，中山大学提出一项空间探测引力波计划，并起了一个诗意的名字“天琴计划”。天琴计划为四个阶段：一是完成月球/卫星激光测距系统、大型激光陀螺仪等地面辅助设施，完成中国自己的月地测距，同时检验牛顿万有引力常数的变化；二是发射一颗卫星，完成无拖曳控制、星载激光干涉仪等关键技术验证，以及空间等效原理实验检验；三是发射两颗卫星，完成高精度惯性传感、星间激光测距等关键技术验证，以及全球重力场测量；四是完成所有空间引力波探测所需的关键技术，发射三颗地球高轨卫星进行引力波探测。
本版文/本报综合整理
用微信扫描二维码分享至好友和朋友圈
凤凰资讯官方微信
播放数：1319007
播放数：431355
播放数：340902
播放数：5808920
48小时点击排行研究显示黑洞碰撞合并将对引力波产生影响_休闲养生_养生之道网
////文章正文
研究显示黑洞碰撞合并将对引力波产生影响
养生之道网导读：欧洲航天局最新制作视频显示，两个黑洞发生碰撞产生的引力波变化，引力波在空间产生的涟漪有助于揭晓宇宙在140亿年前如何形成的。&&
欧洲航天局最新制作视频显示，两个黑洞发生碰撞产生的引力波变化，引力波在空间产生的涟漪有助于揭晓宇宙在140亿年前如何形成的。
腾讯太空讯 据国外媒体报道，如果我们能够看到引力波，将会观察到两个黑洞碰撞在一起的情景。引力波是时空中产生的涟漪，能够揭晓宇宙在140亿年前是如何形成的。目前，欧洲航天局使用计算机模型制作了一个动画视频，呈现黑洞碰撞对宇宙结构产生的影响。
这个模拟动画呈现的是黑洞极端引力环境下气体中复杂电场和磁场交互作用，到目前为止，引力辐射从未被直接观测到。
外部红色片状结构预示着当天文学家通过望远镜最终发现引力信号时所看到的哪种&闪光&，这是很难进行测量的。
经过数十年的技术研发和实验，最新研制的一款陆基探测器能够提供非常精确的灵敏度。目前，最新一项研究表明，引力波要比之前想像的更加神秘。这项研究报告发表在近期出版的《科学》杂志上。
澳大利亚联邦科学与工业研究组织赖安-香农博士对引力波进行了11年研究，为了寻找引力波，香农博士带领研究小组使用高精密度帕克斯望远镜监控一组&毫秒脉冲星&。
体积较小的毫秒脉冲星能够产生非常有规律的射电脉冲，其作用相当于太空时钟。科学家记录了脉冲信号的到达时间，精确度达到一百亿分之一秒。爱因斯坦理论认为，引力波穿过地球和一颗毫秒脉冲星将压缩和延伸空间，改变两者之间的距离大约10米，这与两者的太空距离相比非常小。但是这一变化将改变脉冲星信号到达地球的时间，虽然变化非常小。
香农和同事研究毫秒脉冲星11年时间，这一时间内应当发现引力波，然而他们却未发现任何引力波的迹象。香农博士说：&尽管如此，这并不代表爱因斯坦关于引力波的理论是错误的，我们猜测可能与黑洞快速碰撞合并有关。&
澳大利亚莫纳什大学博士后研究员保罗-拉斯基博士指出，很可能是环绕黑洞的气体产生摩擦力，并抵消了这些能量，从而使黑洞合并的速度非常快。
无论是何种解释，都将意味着如果天文学家希望通过定时脉冲星探测引力波，都必须花费许多年时间。小型黑洞碰撞合并将产生高频率引力波，通 过陆基探测器能够探测到，但是位于星系中心的大型黑洞将产生频率非常低的引力波。
世界上十大最致命的动物10.毒镖蛙这种蛙体型娇小，但你千万不要被其迷惑，更不要轻易与其接触，因为它的背部能够分泌一种粘液状的神经毒素来抵御入侵者。一只小小的毒镖蛙释放的毒素足以使10...
养生之道网元宵节养生专题，为您详细介绍元宵节习俗、元宵节吃什么、元宵节饮食疗养、元宵节饮食禁忌等与元宵节有关的饮食养生文化知识，了解更多的与元宵节有关的饮食养生文化知识，请关注养生之道网元宵节养生专题。...官方：LIGO直接探测到双黑洞合并产生的引力波
时间： 10:21 点击：
次 来源：网络整理
　　新浪科技讯
北京时间2月12日清晨消息，爱因斯坦在一个世纪之前提出了广义相对论，著名的物理学家波恩将此称为是“人类思考自然的最伟大壮举”。此次发布会上，LIGO项目的科学家们主要报告了在与广义相对论有关联两个方面取得的进展：首次直接探测到引力波，以及首次观测到两个黑洞的碰撞与合并。
　　这一灾难性事件产生了被标记为“GW150914”的引力波信号，该标记非常简单明了：意思是“日探测到的引力波信号”。这一事件发生在一处遥远的星系，距离地球大约13亿光年。日这一天，两座分别设在美国华盛顿州和路易斯安那州的激光干涉引力波观测台（LIGO）设施分别检测到了这一事件产生的引力波信号。经过升级之后的LIGO设施被认为是目前世界上引力波探测领域灵敏度最高的科学设施之一。根据LIGO取得的数据估算，科学家们认为在这一黑洞合并事件的最后时刻，其产生的最强烈引力波释放的能量瞬间几乎相当于整个可观测宇宙中所有恒星释放能量总和的10倍。这项重大发现标志着天文学领域一个令人兴奋的崭新时代的开端，就在今夜，我们开启了一扇通往引力波宇宙学观测的大门。
　　基本背景信息
　　引力波是时空的涟漪，它是由宇宙中的一些最为剧烈的事件产生的，如大质量致密天体的碰撞或合并事件。引力波的存在早在1916年便已经由爱因斯坦预言，当时爱因斯坦证明了加速下的大质量物体将会扭曲时空，并产生从该源头发出的时空涟漪。这种“涟漪”将以光速穿过宇宙，携带着关于产生它们的那次灾难性事件和引力本质的珍贵信息。
　　在过去的数十年间，天文学家们已经找到大量证据证明引力波的存在，主要手段是通过引力波对银河系中近距离绕转天体运动产生的影响所开展的相关研究。这些间接研究的结果与爱因斯坦在100年
前的预言吻合度相当好，如在考虑引力波带走能量的情况之后，这类天体轨道的衰减过程完全符合爱因斯坦理论的计算结果。然而，从地球上直接探测引力波的信号
尽管长期以来广受科学界期待，但却一直未能实现突破。之所以科学家们如此期待这项突破，是因为这将提供对于爱因斯坦广义相对论新的，且更为直接的检验，并
开启人类研究宇宙的全新大门。
　　就在爱因斯坦预言引力波存在的同一年，另一位德国物理学家卡尔?史瓦西（Karl Schwarzschild）
意识到爱因斯坦的理论将允许黑洞的存在：这是一种奇异的天体，它的密度极高，引力极大，甚至连光线都将无法逃离它的束缚。尽管严格意义上来说我们并不能直
接“看”到来自黑洞的光，但天文学家们早已通过对黑洞施加于其周围空间与天体的特殊效应，收集到了关于黑洞存在的大量有力证据。比如说，目前天文学家们认
为在大部分成熟的星系，包括我们银河系的核心都存在着超大质量黑洞，其质量可以达到太阳质量的数百万倍乃至数十亿倍。另外同样有证据显示很多质量比这小得
多的黑洞候选体（质量在数个至数十倍太阳质量之间）可能是大质量恒星死亡之后，在经历超新星爆发过程后留下的残余体。
了在对黑洞间接观测方面取得的重要进展之外，我们对于黑洞这种奇异天体的理论理解也已经大大深入。比如说在过去的十年间，科学家们在双黑洞乃至黑洞合并模
型研究方面就已经取得了重要的进展。这些计算机模型让科学家们得以构建精确的引力波形，也就是随着黑洞之间相互接近并最终合并的过程中，其释放出的引力波
波形特征。因此，对于双黑洞合并过程的直接观测将提供一个精确检验爱因斯坦广义相对论这项预言的理想的宇宙实验室。
　　LIGO观测台
　　LIGO（激光干涉引力波观测台）是世界上规模最大的引力波观测实验室，同时也是世界上复杂程度最高的物理学实验室之一。它由两座大型激光干涉实验设施组成，两者相距数千公里，分别位于美国路易斯安那州的列文斯顿和华盛顿州的汉福德。LIGO利用光和空间所具有的基本特性开展引力波的探测工作。这一探测原理最早是在上世纪60~70年代提出来的。在2000年前后世界上先后建成多座引力波干涉仪探测设施，如日本的TAMA300、德国的GEO600、美国的LIGO和意大利的Virgo等等。在2002年至2011年间，这些探测设施进行了联合观测，但最终没有取得有价值的探测结果。而在经过大规模技术升级之后，2015年LIGO设施再次开始运行，这将是一个技术复杂程度高得多的全新全球性引力波观测网络中投入运行的第一台设施。
　　类似LIGO这样的干涉仪设施一般都会包括两条长长的“臂”（LIGO两条伸出的臂各长4公
里）且互相呈直角分布，在臂的一端设有反光镜，将一束激光在其内部来回反射。因为分别位于两臂内的激光束的频率和波长等特征是完全一致的，因此当两条光线
叠加时不会出现干涉条纹；而如果有引力波通过实验设施，它会导致空间本身发生拉伸或压缩，从而导致两条互相垂直的臂的长度出现差异。这样一来在其中运行的
两束激光束便不再“同相”，于是在叠加时就会出现干涉条纹。这就是为何我们将LIGO为代表的这类实验设施称为“干涉仪”的原因。
　　引力波导致的空间拉伸或压缩程度与引力波本身的强度直接相关，这种空间变形通常都非常非常小。对于我们能够探测到的典型引力波信号，空间的变形幅度大约相当于一颗质子直径的万分之一不到。但LIGO实验室具有惊人的高灵敏度，它能够检测到这种程度的空间变形！
　　不过，为了能够顺利探测到类似GW150914这样的引力波信号，LIGO探测器除了必须具有惊人的高灵敏度之外，还必须能够有能力将真实的引力波信号从大量噪音信号中区分出来。这样的噪音信号有千千万万：比如由于环境变化或设备因素产生的微小扰动，这类信号很容易将科学家们苦苦寻找的真实引力波信号遮蔽掉。这也是为何LIGO会
选择在两个相距遥远的不同位置分别建立两套完全一样的观测设施的原因，因为这将让我们能够排除本地仪器故障或环境因素导致的干扰信号，因为只有真正的引力
波信号才会同时在两处探测设施中同时出现。当然严格来说可能会间隔千分之几秒，因为还要考虑引力波从一处设施传播到另一处设施所需要的时间。
　　另外，采用至少两个站点的理由还有很重要的一点：当引力波探测网络中包含了两台或更多探测站点之后，我们就将能够与信号源之间构成一个三角形，从而锁定发射源在天空中的位置。观测网络中参与进来的观测站点越多，信号源在天空中的位置就能被更为精确地测定。在2016年，意大利的先进“Virgo”探测器也将加入这一观测网络，而未来还将有更多的此类观测站点参与进来。
　　此次LIGO的观测结果和意义
责任编辑：强强解读引力波|人们首次直接发现双黑洞，我们将看到宇宙最早期_绿政公署_澎湃新闻-The Paper
把你最喜欢的栏目添加到这里来哦
解读引力波|人们首次直接发现双黑洞，我们将看到宇宙最早期
“中国科普博览”微信公众号
13:14 来自
编者按在一波又一波传言后，终于！北京时间日23:40左右，激光干涉引力波天文台（LIGO）负责人、加州理工学院教授David Reitze宣布，人类首次发现了引力波。发布会上究竟揭开了哪些谜团？与之前的传言有何不同吗？科普中国移动端科普融合创作项目特邀中国科学院国家天文台黑洞来客团队（团队主要成员苟利军研究员为国家天文台恒星级黑洞研究创新小组负责人，而这次被探测到的引力波正是来自双黑洞系统），全面解读这场激动人心的发布会。一波又一波的引力波传言终于在北京时间2月11日晚上的美国自然基金会的新闻发布会中尘埃落定：人类首次直接探测到了引力波，这是真的！正如发布会所言，在被预言将近百年、苦苦追寻几十年之后，首个位于地球之外13亿光年的引力波源GW150914被人类直接探测到，这是一个值得纪念的伟大时刻，一个新时代的序幕正在拉开——地球人，欢迎你来到引力波时代！激动人心的发布会结束了，其重点内容可以被简单归纳为三点：（1）引力波终于被探测到了。（2）引力波产生于两个恒星量级黑洞的合并(merger)。（3）引力波是美国的激光干涉引力波天文台（英文简称LIGO）发现的。接下来，让我们逐个分析和解释一下以上三点，从而对这项具有划时代意义的科学发现做一个稍微深入的了解：双黑洞系统想象图。  图片来自LIGO网站天外飘来引力波对于“波”，我们并不陌生，生活中时常会听到无线电波、电磁波、声波、光波等等，引力波也是波的一种。既然称之为引力波，它必然与引力有关。所以，在更深一步了解引力波之前，我们需要了解一下人类对于引力的认识过程。17世纪末的物理学家牛顿看到了下落的苹果，意识物体之间普遍存在的一种力，称之为“引力”，并且将其数学化，这就是我们熟知的万有引力。万有引力认识的精髓是物体质量的存在导致了引力，这在牛顿之后的两百多年里被认为是宇宙间的绝对真理。直到1905年狭义相对论发表，再到1915年广义相对论的发表，爱因斯坦提出了一种完全不同的对于引力的看法，引力是因为质量对于时空造成了变形所导致，而非质量之间的吸引。这就意味着，我们时空可被当做一种可以变形的介质来认识。所以引力波，简单来说，就是时空自身的波动。相比较我们熟知的无线电波（或者电磁波），它仅仅是在时空之中传播的，时空是它的媒介。人们常说“星辰大海”，如果将时空视作海洋，那么天体就如同海洋生物一般。可以想象，如果大海中的某个生物摇了摇尾巴、或是晃了晃头，海水由此所产生的波动就会向外传播。与此类似，宇宙中某个天体的剧烈活动，会对所在的时空产生扰动，时空自身的波动也会向远处传播，如果足够强，就能够为地球上的我们所感知。在引力的世界中，我们的宇宙通常是平静的。可是在北京时间日17点50分45秒，地球上的LIGO探测器却探测到了来自于宇宙深处距离地球13亿光年之外的一场引力风暴，来自于一个双黑洞系统的合并，以它的探测日期命名为 GW150914。LIGO的两个观测站探测到了同一个引力波事件。上面为观测得到的曲线，下面是和理论相比较之后的拟合结果。  图片来自LIGO所发文章两个黑洞的“火并”此次发布会的另外一个亮点就是双黑洞。这也是人们首次直接发现双黑洞，这两个黑洞的质量分别为26和39太阳质量，属于恒星级黑洞。或许你已经听腻了黑洞，生活中时不时的会听到某某黑洞爆发了，某某黑洞吞吃恒星了等等。但是这此发现却有些不同，两个天体都是黑洞，互相绕转，最后合并。这听起来像是一场黑吃黑的火拼，甚至有点儿像港片里熟悉的火爆场面。黑洞合并产生了非常强烈的时空振荡，所以我们遥远的地球才观测到了。黑洞通常认为是大质量（超过25个太阳质量，请注意这是前身星的质量）的恒星在其演化的最终阶段，恒星中心会形成我们了解的恒星级黑洞。它们的质量通常预计在3个太阳质量到100个太阳质量之间。因为黑洞本身没有任何的辐射（不考虑量子效应下的霍金辐射，它的电磁辐射也是异常微弱），所以我们不能直接看到黑洞。我们的银河系或者其他类似的星系当中当中，每个星系都预计存在着上千万个恒星级黑洞，但是绝大多数的黑洞都是孤独存在的天体，如同幽灵般，没有任何辐射或者辐射及其微弱，所以很难被看到。所幸，有的黑洞处于双星系统当中，就像发布会中提及的系统，而且另外一个天体是正常的恒星（也称之为伴星）。在这种情形之下，黑洞会从正常恒星上吸积气体，在其周围产生一个吸积盘，以至于某些时候吸积气体的量过多，不能被黑洞直接吞掉，这时还会沿着黑洞的两个转轴将多余的气体抛射出去，从而产生非常壮观的喷流。正是因为吸积盘和喷流的存在，他们都能够产生我们非常熟知的电磁辐射（也就是有我们熟知的光子产生），从而我们利用传统的探测方式，比如地面或者太空的望远镜，就可以间接地探测黑洞的存在。大约在50年前，人类就是利用此方法发现了了第一个黑洞候选体，天鹅座X-1 (Cygnus X-1)。在1974年，地球上两颗聪明的大脑、理论物理学家霍金和好朋友基普o索恩就这个候选体是不是黑洞而打了个赌，他们以一年的成人杂志《阁楼》作为赌注。后来的观测是利用天鹅座X-1中的伴星运动测得了黑洞质量，大约为15个太阳质量，从而霍金认输并且在两人的赌书上签名按上了自己的手印。基普o索恩从那时就赢了。对于双黑洞系统，他们几乎不会产生能够为传统方式所观测到的光子。所以，即使它们存在，利用传统的观测方式，我们也不能发现他们。况且，很多的人都怀疑它的存在。但是，在双黑洞绕转，尤其是合并之时，会产生很强的引力波。只要引力波探测器足够灵敏，我们就可以发现它们的踪影。面对大家的怀疑，LIGO的发现用事实证明了它的存在。而此次发现引力波的天文台的创建人之一就是基普o索恩——索恩教授又一次赢了。引力波为黑洞做名片在观测到了完整的引力波形之后，利用一种叫做匹配滤波（waveform matching）的方法，理论上就可以推断出系统的性质信息，包括合并之前和之后。比如，对于双黑洞系统，可以推断出合并之前的黑洞质量，自旋和轨道，以及合并之后的质量和自旋。此次新闻发布会中所提及的引力波事件，就得到黑洞的质量在合并之前是26和39太阳质量，合并之后是62太阳质量（合并之前的两个黑洞自旋参数值限制的并不是很好），合并后黑洞是一个克尔黑洞，其自旋参数值为0.67。你或许会有疑问，合并之后怎么少了3个太阳质量，它跑到什么地方去了？引力波也是携带能量的，在黑洞合并之时，它的形状非常不对称，不是我们看到的单个黑洞的球形，所以在振荡恢复的过程当中，一部分质量就通过引力波的方式辐射出去，从而为我们所接收。合并的时间非常之短，仅仅在大约0.05秒的时间，就将3个太阳质量（大约6.0E30公斤）的能量就通过引力波的方式释放出去，也就是说在一秒钟可以释放出大约10^32公斤的能量。相比较之下，我们的整个宇宙包含了大约1.0E22个太阳，而每个太阳每秒钟向外辐射大约4.0E9公斤的物质能量，所以黑洞合并的最后释放出比整个宇宙每秒钟辐射出的电磁总能量还要高出3倍。双黑洞系统在不同阶段所产生波形随时间演化图。双黑洞系统的演化包括三个阶段：旋近(inspiral), 合并（merger）和铃振（ring down）阶段。  图片来自LIGO所发文章我们注意到，合并前黑洞的质量为26和39太阳质量——这两个质量都比目前已知的恒星级黑洞要重许多。我们现在已经确认了大约20多个恒星级黑洞，最重的恒星级黑洞位于M33 X-7系统中，为16个太阳质量。而其它所有确定的黑洞质量均比这个小，大多数是七八个太阳质量左右。尽管理论之前预言了更大质量的黑洞的存在，但是之前从来还没有发现过，所以此次发现更大质量黑洞，对于黑洞的形成渠道也有着重要影响。我们所看到的所有恒星，都是处于旋转当中。所以对于那些由恒星塌缩而形成的黑洞而言，它们也是处在旋转之中。对于黑洞的旋转，天文学家用一个叫做“自旋参数”的量来表示，它在0和1之间变化——0代表了没有转动的黑洞（也叫“史瓦西黑洞”），而1代表了理论上黑洞所具有的转动最大值（也叫“极端克尔黑洞”）。对于此次观测中合并以后的黑洞，它的自旋参数为0.67。如果我们以转速来描述，它在以每秒钟100转的速率转动。相较而言，我们刚才提到的人类第一个黑洞“天鹅座X-1”，它是一个极端克尔黑洞，差不多在以超过1000转每秒的速率转动。如果你觉得转速依旧很难理解，那我们可以想象一下《星际穿越》电影的一个情节，主人公在卡刚都亚黑洞的行星上只呆了3个小时，但是后来却发现飞船上已经过了23年，时间相差了6万倍。要有这样巨大的时间差，其中条件就行星极度靠近黑洞的同时，黑洞也以最大速度转动。按照相对论理论所言，这样行星上的时间就会被极大的拉长。天鹅座黑洞的转速就具有类似于电影中卡刚都亚黑洞那样的转速。对于此次引力波探测到黑洞而言，即使有某个行星在其周围最靠近的稳定存在，那么对于它的时间也会流逝的很慢，不过不会有6万倍那么大的差别，最多也就2倍左右。对于黑洞而言，有着非常著名的无毛定理，也就是说黑洞只需要简单的几个量就可以描述。对于宇宙当中的黑洞，只需要我们上面所说的质量和自旋参数就可以完整的描述。当我们知道了黑洞的质量和自旋参数一些性质时，我就可以很容易的对黑洞本身的全貌做出一个描绘，就如同给出了一个人的完整自画像。而引力波的方法可以快速给出黑洞的完整信息，这相比较传统的观测方式，更为有效，尽管在观测方面有些困难。氢原子的百亿分之一从预言到探测，物理学家等待引力波的到来已有一百年之久，为什么引力波这么难得一见？主要原因是，相比较其他的几种力（强力，弱力，电磁力），引力是最弱的，相应的引力波效应也就很弱。想当初爱因斯坦在发表自己新的理论之后，就估算了引力波的强度。引力波的强度通常利用相对变形大小来表示，但是结果往往是小的可怜，几乎无法探测到。引力波是时空的自身变形，在一个方向上被拉伸，在其垂直的另外一个方向上就会被压缩。如果我们有一天，我们被同样的双黑洞系统在合并时所产生的引力波（变化强度为1.0E-21）所击中的话，理论上来说，我们同样会经历一个稍微变高变瘦，然后变胖变矮一些的过程。实际上，对我们身高不超过2米的人类来说，导致的变化大约为2E-21，为一个氢原子的五百亿分之一（一个氢原子的大小大约为1.0E -10米）。引力波的效应是如此之小，所以一方面需要增加探测的长度，来增强变化的效应，另外一方面通过巧妙的方法来探测到微小的变化。这也是此次新闻发布会中提到的激光干涉引力波天文台(LIGO)在建造之初所考虑的。它有两个观测点，分别建在美国华盛顿州的列文斯顿和路易斯安那州的汉福德。每个观测点都有两个互相垂直，每条长达4公里的臂。长臂中间是高度真空的管子，而在长臂两端，悬挂着大约直径34厘米、重达40kg的反射镜。LIGO的探测器利用激光干涉技术，不间断地测量每对反射镜之间的距离。每当引力波通过探测器时，人们会探测到两对反射镜之间的距离呈现此消彼长的周期性变化。即使对于LIGO天文台4公里的长臂，引力波所造成的变化也是极其微小的。对于此次新闻报道中的双黑洞合并，其可能产生的尺度相对变化最高可为1.0E-21，意味着4公里的长度也仅仅只变化了一个氢原子直径的2.5千万分之一。为了达到这个精度，LIGO的科学家做了许多精密的设计，保证探测系统的稳定，保证LIGO反射镜的位置随机涨落小于一个氢原子大小的百亿分之一，从而保证可以相对比较容易的探测到可能的引力波源。LIGO在1999年建成并且开始运行。但是在进行升级之前（也就是2010年），没有探测到任何确定的引力波事件。从2010年开始，LIGO对探测器进行了第二阶段的升级，2015年6月进行测试运行，2015年9月开始正式运行，第一阶段的科学运行一直持续到2016年1月，升级后的版本被称为Advanced LIGO （简称aLIGO）。而此次新闻发布会的结果其实就是在刚刚升级完之后，由还在进行测试中的的aLIGO所探测到的。相比较之前，aLIGO的探测灵敏度提高了10倍。而且此次的双黑洞所产生的引力波强度就在仅仅比最初LIGO的灵敏度低一些，所以当LIGO的升级刚刚完成，在试运行的阶段就发现了所报道的双黑洞系统。探测到引力波似乎就在本来的预料当中。就像发布会中所言，这或许是大自然给我们苦盼许久的一份礼物。2012年，LIGO天文台创建人基普o索恩在《科学》杂志的一篇评论文章中说，预计在2017年，第一例黑洞合并的事例将会被发现。当时预计LIGO的升级会在2016年底完成，结果是升级进度超前，让我们提前听到了宇宙时空的声音。LIGO和aLIGO灵敏度比较（上）；LIGO和aLIGO探测范围比较(下)。  图片来自LIGO网站谁将撼动时空那么在我们的星辰大海中，什么样的天体才能够撼动我们的这个宇宙时空，让位于遥远地球上的LIGO探测到呢？现在通常认为有如下四种：（1）旋进(In-spiral)或者合并的致密星双星系统。比如中子星或者黑洞的双星系统。非常类似于发布会当中的系统。（2）快速旋转的致密天体。这类天体会通过周期性的引力波辐射损失掉角动量，它的信号的强度会随着非对称的程度增加而增加。可能的候选体包括非对称的中子星之类的。在《星际穿越》电影当中，教授说它发现了引力波，而它的其中一个产生机制很可能就是由一个快速转动的中子星，其表面大约2厘米的凸起所产生的（具体分析可以参阅由基普索恩撰写的星际穿越一书）。（3）随机的引力波背景。非常类似于我们通常熟知的宇宙背景辐射，这一类背景引力波，也通常叫做原初引力波，它是早期宇宙暴涨的遗迹。2014年由加州理工、哈佛大学等几个大学的研究人员所组成的BICEP2团队曾宣称利用南极望远镜找到了原初引力波，但是后来证实为银河系尘埃影响的结果。原初引力波的探测将是对暴胀宇宙模型的直接验证，对于它的探测依旧在努力寻找之中。（4）超新星或者伽马射线暴爆发。恒星爆发时非对称性动力学性质也会产生引力波。而直接探测到来自于这些天体的引力波，将是提供对这些天体最直接而且最内部的信息。除过LIGO之外，还有意大利的VIRGO引力波探测器，日本的KAGRA探测器以及英国德国的联合GEO-HF探测器。相信在不远的未来，引力波的探测事例会如同春笋般爆发，越来越多。全球引力波天文台分布  图片来自LIGO网站为一窥宇宙初生毫无疑问引力波是对广义相对论的一个最直接的验证。另外它在弱场中已经得到验证，但是对已强引力之下的验证，之前却从来没有验证过。所以此次的观测，是对广义相对论的一个非常好的检验。引力波以光速传播，它与物质的相互作用非常非常的弱，所以引力波可以给我们提供我们宇宙几乎无阻挡的图景，而这个几乎是无法利用我们熟知的电磁波来达到的。比如，利用引力波，我们可以看到宇宙的最早期，宇宙大爆炸之后的1.0E-36秒开始的宇宙形成过程，而对于电磁波而言，它最早只能看到大爆炸后的大约300，000之后的宇宙历史，在此之前，电磁波是不能给我们提供的。所以引力波是我们了解我们宇宙形成的最好工具。如果还记得，在《星际穿越》电影中的结尾之时，主人公库珀身处一个5维时空的超体方体中，为了将从黑洞中心所提取出来的信息传递给身处4维时空的女儿墨菲，人为的制造引力波效应，成功将信息传递，从而人类得以解救。引力波从目前物理学家的认识来看，是唯一一种可以在不同维度传播的波。不同宇宙之间的碰撞，会产生引力波。说不定在不远的将来，我们也可以依靠引力波来判断多重宇宙的存在与否。就如同一个天生的聋哑人，一直在听别人说声音的存在，突然有一天听力恢复了。我想我们此刻的心情也是差不多如此。引力波给我们打开了一扇全新的窗口。引力波是一种方式，是一种看待世界的方式。历史的发现轨迹告诉我们，每一扇新的窗口被打开，都会有令人称奇的发现。虽然LIGO的探测能力还是有限，一旦这个引力波的世界被撬开了一道小的裂缝，让我们看到了春天的种子，相信硕果累累的引力波丰收季节也不会太远。（本文已获得“科普中国”授权转载）
我是马普引力物理所的博士生,引力波如何被发现？发现引力波的意义何在？问我吧！
录入编辑：顾静芳澎湃新闻报料：9 & 澎湃新闻，未经授权不得转载
关键词 >> 引力波
澎湃新闻APP下载}