二、引力波

1.发现引力波的文章标题是“从一个双黑洞体系的合并而观察到的引力波”。这篇文章于2016年2月12日发表在《物理评论快报》上。

2.这个引力波信号是于2015年9月14日观察到的,所以编号为GW150914,频率为35至150赫兹,持续时间不到0.5秒。

图:引力波信号

3.该观测的理论基础有两个:第一个是1916年爱因斯坦在广义相对论中提出的引力波。第二个是1916年卡尔·史瓦西提出的黑洞理论。

4.观测的难度是引力波信号极其微弱。打一个比方,就好比一个人在北京喊一声,让别人在天津听一样。不仅声音会随着距离而变弱,而且有很多别的声音在里边。怎么听到这个人的喊声,挑战很大。爱因斯坦当年就预测到引力波会很弱,直到1957年,还在辩论是否存在引力波。直到1975年,才间接观测到了引力波。 

5.在21世纪初,世界上至少有4个引力波观测系统,包括日本的TAMA 300,德国的GEO 600,意大利的Virgo和美国的LIGO(激光干涉引力波天文台)。这个引力波信号是美国的LIGO观察到的。在这个信号到达地球时,日本的TAMA 300已经退役,德国的GEO 600不在观察状态,意大利的Virgo正在进行升级,美国的LIGO是当时唯一处于观察状态的系统。

图:激光干涉引力波天文台两个观测站的位置

这个信号被路易斯安那州和华盛顿州的两个观测站差不多同时观察到。这两个观测站的距离为10毫秒光程,在10毫秒内,光能传播3000公里。这个距离相当于北京到乌鲁木齐的距离。观测到的信号时差为6.9毫秒。

6.LIGO创建于1992年,其工作原理类似于激光测距。激光不停地在相距四公里之间的两个物体之间震荡,测量他们的距离。当引力波到来时,会引起两个物体之间距离的变化,使其距离不再是4公里,从而观测到引力波。LIGO包括两个互相垂直的四公里长的测量臂。这样,从不同方向传来的引力波都可以侦测到。

图:激光干涉引力波天文台工作原理

7.LIGO的激光系统进行过两次升级,第一次是从20瓦升级到700瓦,灵敏度提高了35倍,第二次是从700瓦升级到10万瓦,灵敏度又提高了143倍。这个引力波信号就是在第二次升级后不久观察到的。

8.因为很多信号如地震、温度变化等都可能对测量产生干扰,所以设计了很多系统来减少这种干扰。为了减少温差的干扰,特别选用了特种材料。为了减少空气引起的光散射问题,那两个4公里长的测量臂是放在真空管里的,真空压力为百万分之一帕斯卡。

9.同时,观测站还配置有地震仪、加速度计、声波仪、磁力计、微波接收器、天气传感器、交流电线形监视器和宇宙射线探测器。全部系统通过卫星导航系统校准时间,误差小于10微秒。

10.第一个黑洞的质量为36个太阳,第二个黑洞的质量为29个太阳,合并后的黑洞为62个太阳质量,生成的引力波能量为3个太阳质量。

11.测量的信噪比为24,虚假率为每20万3000年一次。

12.推测出的黑洞没有显示与广义相对论抵触。

图:黑洞理论计算的黑洞合并过程

13.本观测有两个第一:第一次直接观测到了引力波。第一次直接观测到了两个黑洞的合并。并且,提供了新的观测宇宙的工具。不仅是看,而且能听。

14.引用文献118篇,作者大约有1000位,合作单位133个。

15.在第一次直接观测到引力波后,LIGO又多次观测到了引力波。最新观测到的引力波是GW170817。从引力波的编码,我们知道这是于2017年8月17日观测到的信号。这次,不仅听到了中子星合并的引力波,而且看到了合并时的电磁辐射。从另一个角度证明了引力波观测的可靠性。

图:中子星合并

在此,我们要对人类取得的如此成就表示恭喜。

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