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我参与了探测引力波

10亿年以前,地球。

超级大陆罗迪尼亚大陆刚刚形成,地球上的生命大多数还是以单细胞的形式存在,部分生活在菌丛中,开始有分工分化,形成第一棵多细胞植物。没有人类,没有哺乳动物,连恐龙都还没有影子。

10亿年以前,宇宙深处。

两个巨大的黑洞在经历了漫长的绕转以后,通过引力波辐射能量,越转越近。长年累月的公转,已经让它们不堪重负,能量的损耗也在日渐加快。最后,它们终于放弃了抵抗,猛地撞到了一起。这两个黑洞消亡了。一个更巨大的新黑洞,诞生了,伴随着时空中被搅动的滔天巨浪,那是它这一生也许是唯一一次的啼哭。这个新生儿的第一声哭喊,以光的速度飞速向外传播……


通过分析数据,估计的信号来源的概率分布图。

巨浪变成了浪花……

岁月无声。

浪花化作涟漪……

经过10亿年的漫长旅行,一小部分引力波信号终于抵达了地球。地球其实并没什么特殊的,对引力波来说,物质几乎是透明的,穿过地球和穿过真空,并没有什么太大的差别。正如之前穿过这个普通行星的亿万次引力波信号一般,这一个信号没有任何的特别之处。

唯一的特殊在于,这一次,那些单细胞生命演化成了人类,他们研究出了数学和物理,捣鼓出了相对论和激光,还用激光编制出一张捕捉引力波的网。

雁过留痕。时空的涟漪,在不经意间拨动了激光编制的琴弦。


LIGO 汉福德台址鸟瞰 (LIGO Laboratory/Corey Gray)

于是,2015年9月14日,我的邮箱里收到了一封内部邮件,Event G184098。邮件里描述了实时分析数据的软件得到了一个显著性极高的候选对象。后来,它换了个名字,GW150914,在15年9月14日探测到的引力波(GW)。

这张捕捉引力波的网,叫做advanced LIGO,高新激光干涉仪引力波天文台,而参与建造、维护仪器,分析数据的1000多位科学家,组成了一个叫做LIGO科学合作组织的科研团队。


LIGO科学合作组织的成员单位一览(LSC)

100年前,那个依然英俊的青年爱因斯坦经过十年的苦思悯想,参悟了时空和引力的本质,写下了划时代的公式。那个简洁美妙的公式,被后世的另一个才华横溢的学者约翰·惠勒总结为:时空命令物质如何运动,而物质引导时空如何弯曲。

100年后,经过几代科学家一个世纪的不懈努力,我们终于站在一个新时代的全新起点,迎来了人类探测到的第一个引力波信号。

LIGO科学合作组织的1000多名科学家在接下来的日子里忙坏了,分布全球的多个超级计算机开足了马力,想要将那一段短短数秒的信号背后的物理全部挖掘出来。慢慢的,如同盲人摸象般,我们开始一层层解开这一引力波信号的面纱。

我们知道,这个信号,先经过利文斯顿,再经过汉福德,两个探测器,相隔7毫秒,留下了几乎一模一样的波形。所以可以确定信号来自南天球。

我们知道,信号在0.2秒的时间从35赫兹蹿升到150赫兹。 这是两个极重的恒星级别黑洞的并合,其中一个是太阳质量的29倍,另一个是太阳质量的36倍。在这短短的一眨眼间,有大约3倍于太阳质量的物质通过爱因斯坦的质能方程E=mc^2转化为了能量。


上图:两个探测器所观测到的GW150914引力波事件。该图展示了在两个LIGO探测器中观测到的由该事件产生的引力波“应变”如何随时间(秒)和频率(赫兹)变化。(LSC/Virgo collaboration)

我们知道,这一过程的峰值功率为3.6x10^49 瓦,十倍于整个可观测宇宙的电磁波能量总和。如果这些能量以可见光的形式传播,那么即使是远在十亿光年之外的地球上,它的亮度也会轻松超过满月。

我们知道,在穿越地球时,“他强由他强,清风拂山岗;他横由他横,明月照大江”,引力波来无影去无踪,地球所吸收的能量,仅仅是10^-17焦,或者说相当于一个X射线光子的能量。

我们知道,它大约来自13亿光年以外,所以正应了星球大战的开篇:很久很久以前,一个很远很远的星系发生的惊心动魄的故事。

时空交错而成的池塘上,由于这一对黑洞的搅动,吹皱了一池春水。对于天文学家来说,这点点涟漪意味着我们有了黑洞存在的强有力证明:在并合之前的一瞬间,在如此小的间距内聚集着如此巨大的质量,除了黑洞实在是不做他想;它也意味着我们第一次观测到了双黑洞系统的存在;我们也确定了这种系统可以在足够短的时间(10亿年,对,足够短了)内并合;我们可以估算这一类时间的发生率,事实上,整个宇宙每时每刻都有黑洞双星并合,根据LIGO的数据,每15分钟就应该有一个引力波到达地球,当然,绝大部分都太过微弱而掩埋在噪声中;脑洞开得大一些,我们还可以这黑洞系统来自低金属丰度的前身星,其恒星风较弱,所以没带走太多质量。

一叶知秋,通过这短短数秒的信号,让上千名科学家在几个月的时间里忙坏了。我们今天终于骄傲地向世人宣布引力波的首次直接探测。多少人,多少年的期待,终于变成了现实。今天,雷纳·韦斯、基普·索恩和罗纳德·德雷弗的案头上,大概会有人倒上一杯香槟。来自斯德哥尔摩的电话,多半也已经在筹划。

这是一个伟大的时代,电磁波望远镜是人类的眼睛,看到这五彩缤纷的宇宙奇异瑰丽的美景;引力波探测器则是人类的耳朵,人类以前就像是聋子,现在终于可以聆听宇宙的呢喃。2015年9月14日,值得载入史册的一天。

这小小的时空的涟漪,无声无息地如鬼魅般穿过地球,对科学家来说却不亚于惊天巨雷。正如马克斯-普朗克引力物理研究所所长布鲁斯·艾伦所说:“爱因斯坦当初认为引力波太过微弱而无法探测,而他也从未相信过黑洞的存在。不过,我想他并不介意自己在这些问题上弄错了。”听到这个消息,爱因斯坦大概也会“垂死病中惊坐起,笑问客从何处来”吧。

然而,这段穿越地球的经历对那十亿年前出发的引力波来说仅仅是个小插曲,它将继续着它的旅程,前往下一个远方。

时空的涟漪,向远处荡开……

本文作者是LIGO科学合作组织成员

后记:作为一个天文爱好者,我时常仰望星空。写下这段文字的时候,我不禁联想, 相对于这漫天星空,人类无论从质量,密度,尺度,温度还是从寿命来看,都渺小得无以复加,我们日常生活中所烦恼忧愁或喜极而涕的各种大事,在宇宙看来都不值一哂。然而正是由于插上了科学的翅膀,这渺小的人类可以尝试理解宇宙,把自己和这宏大的天体融合在一起。通过天文学,人类可以认识到自己的渺小,这不是让人无力,而是给人以“天地一沙鸥”的豁达。我时常庆幸自己何其幸运,能参与到这一科学探索的伟大历史中,做出自己些微的贡献。而在屏幕另一端的你,也处在一个幸运的时代,用你的电脑,一样可以为引力波的搜索做贡献!引力波的种类有很多,LIGO的科学目的除了探测来自致密双星并合的信号外,也会搜索来自银河系内的中子星的连续信号。这个搜索由于需要大量计算资源,哪怕用上LIGO自己的超级计算机也不够,所以常年征求志愿者贡献CPU时间,只需要登录http://www.einsteinathome.org/,你就可以下载Einstein@Home的程序,用你电脑的闲暇时间的空余CPU,处理来自LIGO的数据,搜索时空的涟漪。

(编辑:Calo)

文章题图:tumblr.com

The End

发布于2016-02-11, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

我的评论

胡一鸣

原铁杆天文爱好者,曾任南大天文爱好者协会会长。坚守着“道天制志天道,学文言研文学”的座右铭,终于走上了天文研究这条“不归路”。德国马克斯-普朗克引力物理研究所、清华大学博士后,研究引力波。

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