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重力波到底是什么?和黑洞又有什么关系?

重力波示意图。 当物体加速率提高时 (如两个超大年夜质量星体互绕),会使空间的扭曲发生变更、孕育发生「荡漾」,这便是「重力波」。 图片滥觞│R. Hurt/Caltech-JPL

雷射光被分光镜分成两道,分手沿着两根管子提高,经过管末的反射镜反射四百趟之后,两道雷射光会在启程的交角处会集并互关连预。 假如没有重力波,两道光程一样(两根管长一样),不会呈现过问条纹。 假如有重力波颠末,光程不合(管长些许不合),就会呈现过问条纹,藉此侦测出重力波。 数据源│ LIGO will be getting a quantum upgrade 图说设计│黄晓君、林洵安

雷射过问仪太空天线 (LISA) 示意图。 在太空中的三个相距 250 万公里的探测器会朝彼此放出雷射光,当有重力波颠末造成空间扰动,使宇宙飞船间的间隔改变时,会影响雷射光的过问结果。 图片滥觞│NASA

台湾中研院物理所吴建宏钻研员,以深挚的学养、推广科学的任务感,将高妙的重力波学理,转化为活跃好懂的科普演讲,在 2019 年中研院院区开放日与民众分享。 照相│林洵安

据《研之有物》(采访编辑:郭雅欣 美术编辑:林洵安):若提及近年科普界最火红的关键词,绝对少不了「重力波」。 重力波爆红的缘故原由,无非是位于美国的雷射过问仪重力波不雅测站( LIGO )在 2015 年首度察看到来自一场黑洞合并事故引起的重力波,并于 2017 年得到诺贝尔物理奖的肯定。 重力波到底是什么? 和黑洞又有什么关系? 2019年台湾中研院院区开放日,中研院物理所吴建宏钻研员的杰出演讲「使用重力波探测宇宙黑洞」,要跟大年夜家聊聊重力波大年夜小事。

重力像水波?

宇宙万物之间都有重力,比如说,地球是由于具有重力,才能把我们「吸」在地表上;太阳是由于具有重力,才能让八大年夜行星赓续绕着它公转。

不过,爱因斯坦的广义相对论中,觉得重力是来自空间的扭曲,质量愈大年夜的物体,周围的空间就扭曲的愈厉害。 而当物体加速率提高时,则会使空间的扭曲发生变更、孕育发生「荡漾」,这便是「重力波」。 吴建宏形容:「就像水中的荡漾那样,水波是依附着水而存在,重力波则是依附着空间而存在。 」

既然宇宙中有那么多天体,而且质量大年夜的也不少,可以想象我们所处的「空间」到处都是重力波,一点也不平滑,反而可能像处处水波涟漪的大年夜水池,真是颠覆直觉!

既然重力波到处都是,为什么在爱因斯坦 1916 年提出重力波之后,我们相隔了约100年,才终于透过 LIGO 找到了它存在的证据呢?

由于重力波能引起的「颠簸」异常的小,科学家预计纵然是剧烈的天体合并事故,能引起的重力波所造成的空间扰动,通报到地球时,数量级也顶多只有 10-12 比 1,换算下来,一个一公里长的物体, 由于重力波而造成的改变量只有千分之一个原子核直径那么长而已,也难怪爱因斯坦在提出重力波之后,曾说过「我们可能永世丈量不到重力波的存在。 」不过,幸好如斯,我们才不会感到自己一会儿变矮、一会儿又变胖,对吧?

只管连爱因斯坦都没把握测获得,但不要鄙视科学家的斗志。 既然颠簸很小,我们就设计超级周详的仪器来丈量它! 在科学家大年夜无畏的精神下制造出的 LIGO ,正确度数量级硬是高达了 10-22 !

「在爱因斯坦提出重力波的一百年后,我们终于找到了重力波存在的证据」

LIGO 的完美 L

科学家是怎么做到的呢? 谜底就在 LIGO 超特其余设计里。 LIGO 包孕了一组互相垂直、呈 L 形的两根管子,每根管子的长度都是4公里。 一开始,从交角处启程的雷射光,会被分光镜分成两道,各自沿着两根管子提高,再由管末的反射镜反射回来。 雷射光往返反射四百趟之后,会在交角处会集并互关连预。

在没有重力波的环境下,从两根管子回来的雷射光走的路程长度完全相同,在过问历程中会彼此抵消,不会孕育发生讯号。 但假如重力波引起空间扭曲,就可能对两根管子的长度孕育发生影响,拉伸或压缩了一点点,两道雷射光的光程就会有些微不一样,回到交角处时的相位也会有一点点差异,这一点点的差异就足以让 LIGO 周详的过问仪器孕育发生过问讯号,让科学家知道: 「嘿! 刚刚有重力波颠末这里! 」

换言之,只管重力波能孕育发生的空间扰动超级小,但 LIGO 把雷射光的光程拉得超级长,尽可能把重力波造成的空间扰动放大年夜到可不雅测的程度,然后等待足够大年夜的重力波光降时,便是我们窥测它的好时机。

望见了! 黑洞在合并

当然,只管我们用 LIGO 这样的仪器做了万全的筹备,要看到「足够大年夜」的重力波,还得有天时地利的赞助才行。 重力波虽然可以穿透万物,不像光一样轻易被盖住,但若波源太远,波的强度照样会跟着间隔徐徐减弱,以是得有一个间隔地球不太远,又能孕育发生显侧重力波的波源才行。

此外,要孕育发生重力波,必要天系一切在扭转时的「轮廓」孕育发生变更,也便是这个系统本身的外不雅愈纰谬称愈好。 假如是一个球状对称的天体在自转,或者天体很匀称的向内塌缩,是不会孕育发生重力波的。 反过来说,一个双星系统彼此绕行着末合并的历程,因为双星位置不停变换,全部系统的纰谬称性高,是以孕育发生的重力波就会对照显着,所带出的能量也会对照大年夜,相对轻易不雅测。 既然如斯,最可能孕育发生重力波的事故,就莫过于「黑洞合并」及「中子星合并」了。 以下因此谋略机仿真两个黑洞合并事故以及在历程中发出的重力波。

黑洞和中子星都可所以恒星老年逝世亡后塌缩下的产物。 恒星倚赖核心的物质进行核交融反映,来抵抗自身重力,一旦迈入老年,内部的核交融燃料垂垂削减,就会抵抗不了重力,全部球体往内塌缩成更小的球体。 假如恒星的质量够大年夜,着末会在一场「超新星爆炸」后,留下中子星,此中所有的电子、质子都被重力压缩合并成中子,可以想见重力有多么伟大年夜! 假如要形成黑洞,必要的重力又比中子星的更伟大年夜,连中子都被压缩,形成一个密度无限大年夜的「奇异点」,位于黑洞中间,它是一个以今朝的物理还无法解释到底是什么的「点」。

黑洞与中子星是宇宙中密度最大年夜及次大年夜的天体,假如彼此互绕又合并,放出的重力波必然有时机看获得。 果不其然,2015 年 9 月,LIGO 团队首度侦测到的重力波,讯号就来自间隔地球约 13 亿光年的一次黑洞合并事故,两个黑洞的质量分手约为 36 倍太阳质量和 29 倍太阳质量。 这个结果让全天下的物理学家都震动了,由于这是重力波真正存在的第一个铁证!

接下来的两年内,LIGO 及 VIRGO 又陆续不雅测到三次黑洞合并事故引起的重力波,还在 2017 年 8 月首次不雅测到由中子星合并事故引起的重力波! 因为中子星会放出可见光,科学家使用其他千里镜对此次的合并事故的察当作果,也获得许多贵重的新发明,例如重金属元素的形成。

LIGO 与 VIRGO 并非天下上仅有的重力波探测计划。 科学家会使用散播天下各地的无线电波千里镜,组成波霎准时数组(PTA),因为波霎就像极为精准的灯塔一样,隔着固定的光阴间距放出无线电波,是以,假如波霎受到重力波的影响,导致放出的无线电波通报到地球的间隔有了一点点改变, 就会使它来到地球的光阴提早或延迟一点点,科学家可以透过察看这个微小的光阴差来征采重力波。

另一方面,欧洲太空总署估计在 2030 年发射「雷射过问仪太空天线」(LISA),包孕三个宇宙飞船,彼此相距 250 万公里,使用和 LIGO 类似的设计,从彼此间通报的雷射光过问结果来探求重力波。 这几个重力波探测计划针对的重力波频率各有不合,是以可以找到不合的重力波源,重力波的频率愈低,愈可能是质量愈大年夜的黑洞或中子星合并事故,由于系统所占空间愈大年夜,彼此绕行一圈要花的光阴也愈久,放出重力波的周期也随着愈长。

重力波:探索天文的新神器

在探寻重力波的路途上,黑洞扮演侧紧张的角色,宇宙中的黑洞合并事故让我们有了窥测重力波的时机。 反过来,在科学家证明重力波的存在,并且一次次探测到重力波之后,也筹备使用重力波来钻研天文,这是由于重力波在通报历程中,不会受到任何物体的滋扰,不像光或粒子轻易被盖住,以是重力波可以将波源的讯息, 例如合并事故中的黑洞质量及自旋,完备的通报出来。 是以,重力波是钻研黑洞、以致是其他天文课题的好对象。

「在我们历尽艰辛找到重力波之后,重力波反转角色,从被察看的工具,变成钻研天文的好对象。 」举例来说,从重力波的不雅测,我们看到了许多双黑洞合并的事故,这或许可以对付「超大年夜质量黑洞」起源供给左证。

多半黑洞的质量落在几十个太阳质量的范围,平日是恒星逝世亡所造成,然而宇宙中有许多质量比这大年夜很多的超大年夜质量黑洞,例如银河系中间的黑洞有 400 万倍太阳质量,前阵子由中研院天文所拍摄到首张黑洞照片的主角 ── M87 星系中间的黑洞, 更是高达 65 亿倍太阳质量。 这些大年夜得让人无法想象的黑洞,起源不停令人好奇。 今朝主流觉得,它们是由通俗黑洞彼此赓续合并而徐徐形成的。

另一方面,重力波也可望在吴建宏今朝所钻研的「太初黑洞」」(primordial black holes) 课题上,供给紧张的帮忙。

太初黑洞最早是 1970 年代由霍金所提出,指的是宇宙刚刚形成时孕育发生的黑洞。 当时宇宙还没有任何天体形成,只有一些物质散播,有些地方散播得对照致密,就可能塌缩孕育发生黑洞。

这些太初黑洞和今朝所知的黑洞不太一样,质量可以异常的小,只有 1012 公斤,大年夜约是地球上一座冰山的质量。 由于黑洞会赓续放出辐射而蒸发,这么小的黑洞,蒸发速率很快,如今应该险些都消掉了。

那么,重力波若何能协助找到太初黑洞呢? 关键是:太初黑洞是早期宇宙中物质散播对照致密的地方,在形成时物质的散播是纰谬称的。 如前面所说,纰谬称的系统会放出重力波。 只管这些小小的黑洞可能都蒸发消掉了,但曾经发出的重力波不会消掉。 假如太初黑洞数量够多,孕育发生的重力波迭加起来,我们应该有时机察看获得。 换句话说,重力波能够为太初黑洞的存在与否供给左证。

「太初黑洞可能很迷你,却留下了永世不会被抹灭的重力波讯号。 」

总之,重力波的钻研才刚刚开始,但物理学家们都异常看好,引颈期盼它能带来更多惊喜!

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