正在阅读: 引力波天文学:“听”见不一样的宇宙
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

引力波天文学:“听”见不一样的宇宙

来源:光明网2019-06-14 10:38

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  天文学大概是人类最古老的学科了。尽管历史悠久,但是在很长的一段岁月里,天文学家都只能靠“看”来了解宇宙,看的是遥远天体发出的光。光是电磁波,其中只有很少一部分能被人看到,这一部分叫做可见光。其余的光,如无线电、微波、红外线、紫外线、X射线、伽马射线等,都超出了人眼可见的范围,要用特殊的仪器才能探测到。借助这些仪器,今天的天文学家们已经可以在全电磁波对宇宙进行观察,“看”到我们的祖先看不到的宇宙。(如图1)

引力波天文学:“听”见不一样的宇宙

图1:银河系在不同电磁波段照的照片。可见光波段的照片在第八行。(Credit: NASA)

  宇宙中有没有我们“看”不到的地方呢?公元2015年9月14日将永载史册,因为这一天,美国的激光干涉引力波天文台(英文简称LIGO)搜寻到了一个来自宇宙深处的信号。这个引力波信号不是“看”到的,是“听”到的。

  引力波是广义相对论的预言。通俗的来讲,引力波就好像时空中的涟漪:时空受扰动后,这种扰动会像波一样向外传播,传播的速度是光速。引力波带来的效果之一就是使两点间的距离有规律的振荡。正是通过精确测量地球上两点间距离的变化,LIGO才探测到了引力波。这是一项艰巨的任务,因为这些引力波造成的扰动幅度大概在10-21这个量级。也就是说,即使有一把1000公里的尺子,引力波通过的时候,尺子长度的变化也仅有一个质子那么小,更何况LIGO的两个探测器都只有4公里长。

  探测引力波为什么要靠“听”呢?我们的耳朵之所以能听到声音,就是因为鼓膜对空气的振动作出响应。空气振幅越大,声音听起来越响。而我们的眼睛之所以能看见物体,是因为视网膜对光子作出响应。单位时间内撞击视网膜的光子越多,物体看起来越明亮。因为引力波天文台探测的是引力波的振幅,而不是引力波的流量,所以工作原理更像用耳朵听声音。

  什么样的天体能被引力波探测器“听”到呢?正如人耳听不到特别微弱的声音一样,引力波探测器的听力也是有极限的。只有足够“响亮”的引力波源,才能被“听”见。从原理上来说,这些天体基本都要满足以下四个条件。

  1、质量大。这就是为什么虽然车祸也产生引力波(振幅大概在10-41左右),但是研究引力波的专家一般不关心它们,除非有卡车直接撞在了引力波天文台的外墙上(这样的乌龙事件真的发生过)。

  2、尺度小。太阳的质量是2x1027吨,水星是3x1020吨。即便这两个质量看上去已经很大了,但我们还是很难测量到太阳-水星这个系统辐射的引力波,原因就是水星到太阳的距离有六千万公里,这个系统的尺度太大了。

  3、形状不对称。和太阳比起来,中子星更重,尺寸也小多了。但是单个中子星还是难以产生强的引力波,原因就是中子星太圆。这也是为什么今天我们还没有探测到中子星自转产生的引力波。

  4、距离不太遥远。关于这一点,大家下次接电话的时候把听筒拿的离耳朵远一点就有体会了。

  宇宙中能够同时满足上面四个条件的天体并不多。在科学家“提名”的候选天体中,两个黑洞合并是排名比较靠前的。果然,第一起引力波事件就是双黑洞合并事件。不过,让大多数天文学家大跌眼镜的是,我们第一次“听”到的黑洞竟然和以前“看”到的完全不一样。

  在“看”宇宙时代,我们发现了一类比太阳重10倍左右的黑洞,它们都寄居在一种叫做“X射线双星”的天体中。天文学家推测,这类黑洞应该是大质量恒星死亡后留下来的遗骸。在教科书中,这类黑洞被称为“恒星级黑洞”。在学术会议上,天文学家经常一本正经的说:“众所周知,大质量恒星死亡后会形成黑洞,其典型质量是10倍太阳质量。”

  LIGO“听”到的第一起双黑洞合并事件就颠覆了天文学家对恒星级黑洞的定义。在这次事件中,一个黑洞比太阳重36倍,另一个比太阳重29倍!这样重的黑洞,在X射线双星中前所未见。一时间,整个天文届为之震动。上面那句“众所周知”,从此也在学术圈销声匿迹了。

  天文学家为什么相信LIGO探测到了超重的黑洞呢?换句话说,从引力波怎么就能够得知黑洞的质量呢?答案就在引力波的频率上。引力波的频率直接反映了两个黑洞相互绕转的快慢。粗略来说,黑洞越重,合并前两个黑洞绕转地就越慢,因此引力波的频率也越低。反之,黑洞越小,产生的引力波频率越高。通过频率的高低,我们可以判断黑洞的大小,正如通过音调的高低,我们可以辨别小提琴和大提琴的声音一样。

  截止到2018年底,LIGO和欧洲的Virgo探测器通过联合观测,又搜寻到了9起比较确信的双黑洞合并事件,外加一起双中子星合并事件。在这9起双黑洞合并事件中,7起都含有超重黑洞,有些黑洞在合并后甚至重达80倍太阳质量。(图2)

引力波天文学:“听”见不一样的宇宙

图2: LIGO/Virgo探测到的双黑洞(蓝色)和双中子星(橙色)。紫色圆点代表X射线双星中的黑洞,黄色圆点代表已知的中子星。(Credit: LIGO/VIrgo/Northwestern Univ./Frank Elavsky)

  为什么这类超重黑洞从没在X射线双星中被“看见”过呢?超重的黑洞究竟是怎么形成的?它们真的是大质量恒星死亡后的产物吗?我们“听”到的确实是超重双黑洞的“原声”吗?有没有可能是“失真”了的声音呢?还有其他方法能够证明超重黑洞的存在吗?关于这些问题,天文学家还没有明确的答案。

  但有一点是大家的共识,那就是,人类观察宇宙的“默片”时代已经终结了。我们步入了“有声电影”时代,下一步自然是要提升视听感受。在“听觉”方面,通过降低引力波探测器的噪声(如LIGO/Virgo的升级计划,以及未来的Einstein Telescope),我们可以“听”得更远。通过建造新的地面引力波探测器(日本的KAGRA,印度计划中的IndIGO等),我们可以“听”见“立体声”,从而辨别引力波天体的方向。通过在太空搭建引力波探测器(如欧美的LISA,日本的DECIGO,中国的“太极”和“天琴”计划等),我们可以“听”到更加低沉的“bass”,从而找到宇宙中更遥远、更重的黑洞。这些工作,都在陆续地展开。

  中国人有句话,叫做“兼听则明”。这里调整一下标点,兼“听”则明,拿来比喻今天的引力波天文学,恰好合适。

  作者:陈弦,系北京大学物理学院天文系助理教授,长期从事和黑洞附近的动力学有关的理论研究,对辐射引力波的天体尤其感兴趣。

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 孔龙村遗址考古发掘阶段性成果展开幕

  • 探访米兰-科尔蒂纳冬奥会主媒体中心

独家策划

推荐阅读
“相对拥有百年历史的《科学》,《工程》才走过第一个十年。未来十年,我们要争取与世界顶级刊群比肩。”周济表示,这条路需要时间,以及学术评价观念、出版生态与国际化运营能力的协同推进。
2026-01-29 02:45
工业和信息化部28日公布,2025年,我国通信业实现平稳增长,产业结构持续优化,用户规模实现量质双升,5G、千兆等新型信息基础设施建设加快部署。
2026-01-29 02:55
中国科学院物理研究所近日发布《2025年度REBCO高温超导带材战略研究报告》(以下简称“报告”),这是国际上首份针对高温超导带材发展的系统性战略报告。
2026-01-29 02:55
2025年,山东省实现地区生产总值10.3万亿元,比上年增长5.5%。亮眼的成绩单,离不开创新动能持续发力。齐鲁大地上,科技创新和产业创新融合发展成果正在厚积薄发,新质生产力加速崛起,转型动能持续增强,高水平创新型省份建设的目标正在逐步实现,向着“十五五”征程稳步进发。
2026-01-29 02:45
近期,多家外国科技公司宣布计划将人工智能及数据中心送往太空,引发了科技界的热烈讨论。这一看似在科幻电影中才会发生的场景,已逐步从设想转变为现实。
2026-01-29 02:55
手机厂商将投入更多精力,通过形态变革、差异化外观设计、联名合作等,更好地满足用户的情绪价值需求,激发消费者购买欲望。
2026-01-29 09:02
截至2025年底,全国累计发电装机容量38.9亿千瓦,同比增长16.1%。2025年,风电光伏累计装机历史性超过火电,截至12月底已超出约3亿千瓦。
2026-01-29 09:01
1月27日上午,中国科学院大学星际航行学院揭牌仪式在中国科学院与“两弹一星”纪念馆举行,标志着该学院正式成立。从“东方红一号”划破天际到“祝融号”漫步火星,中国人的航天梦从未停止。
2026-01-28 02:45
2025年,我国区域科技创新布局更加优化,三大国际科技创新中心建设进入新阶段,区域科技创新中心建设取得新成效。
2026-01-28 02:45
打破产业间的壁垒,鼓励跨领域、跨行业的融合探索,推动资源要素的自由流动与高效配置,不仅能盘活存量资源、激发增量活力,更能催生具有引领性的新产业、新模式、新动能。
2026-01-28 02:45
合肥是儿童文学作家许诺晨的家乡。合肥科学岛,是她所拥有的一座得天独厚的科学和科幻题材的“硬核基地”,由她来写量子少年这个题材,可谓“近水楼台”。《量子女孩》(中国少年儿童新闻出版总社2025年12月出版)是她献给“量子新城”合肥的一部“家乡书”。
2026-01-28 02:55
北京火箭大街展示与运控中心作为商业航天测运控中心、商业航天公共服务平台的空间载体,将为企业提供卫星运控服务和交流推介平台。
2026-01-28 09:15
水稻耐不耐旱,和叶子的厚实程度相关,这是由什么因素决定的?日前,中国农业科学院作物科学研究所水稻分子设计技术与应用创新团队发现,水稻基因组中的三个耐旱基因可以“团队作战”,
2026-01-27 02:50
年轻人享受便利的同时,关注新的变化:智能穿戴设备是否正在塑造一个充满数据和规定的生活方式?“贴身伙伴”的出现改变了生活,人们同自己身体、同生活本身的关系,是不是也在变?
2026-01-27 03:15
商业航天是培育新质生产力、建设航天强国的重要力量。面对全球商业航天竞争日趋激烈的态势,中国商业航天亟须推动产业从“政策驱动”转向“市场驱动”。
2026-01-27 09:18
云南大学研究团队日前在国际学术期刊《自然》发表了关于早期脊椎动物视觉系统演化的研究成果,首次揭示了早期脊椎动物具有4只相机型眼,
2026-01-27 02:50
黄宣谕在《当代中国史研究》2025年第6期撰文指出,1949—1958年,基于工作重心转移与科普力量分布状况,党和政府重点在大中城市开展科普工作。
2026-01-28 02:55
印度东部西孟加拉邦近期出现尼帕病毒感染病例,目前已报告5例确诊病例,其中一名患者病情危重。泰国、尼泊尔等国已在机场和边境口岸加强防疫检测。尼帕病毒是一种新出现病毒吗?它有哪些特点?为何印度暴发的尼帕病毒疫情引起多国高度关注?
2026-01-27 03:15
科学家精神在我国科技发展事业中萌芽、生成、丰富、完善,成为兼具历史传承性、文化包容性与民族独特性的精神标识,不仅教育引导各类人才矢志爱国奋斗、锐意开拓创新,更是拔尖创新人才成长的精神旗帜与动力源泉。
2026-01-27 03:15
1月26日,将迎来腊八。一些细心的公众发现,相较于前些年,今年腊八来得有些晚。
2026-01-26 09:59
加载更多