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人类首次探测到引力波!证实爱因斯坦理论

日期: 2016-02-13
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        科学家首次探测到“时空的涟漪”-即引力波,它由宇宙深处的激变事件形成,到达地球后被探测到。周四,一组科学家在华盛顿新闻发布会上称,这项发现证实了爱因斯坦1915年提出的广义相对论,并且为人类认识宇宙打开了一扇史无前例的全新窗口。“这堪比科学界的登月计划,我们做到了,我们登上月球了!”激光干涉引力波天文台的执行董事大卫赖茨在国家新闻俱乐部大声宣布。

        据美国国家科学基金会(NSF)的专家称,引力波携带着引人注目的其最初起源的信息,并且携带着其他任何地方都无法获得的引力本质的信息。物理学家已推断出,探测到的引力波是在两颗黑洞合并成一个更大的、高速旋转的黑洞过程中,在最后若干分之一秒产生的。这两个黑洞的碰撞早已被预言,但从未被观测到。

        这束引力波于2015年9月14日下午5:51分(东部夏季时)被探测到,探测仪器是分别位于路易斯安那州列文斯顿和华盛顿州汉福德的两台孪生引力波探测器(LIGO)。

        基于探测到的信号,LIGO科学家们估计这次碰撞的两颗黑洞质量分别为29颗太阳和36颗太阳,碰撞大约发生在13亿年前。约3颗太阳的质量在最后若干分之一秒转化成引力波-以整个可见宇宙中最大输出功率50倍的功率。据NSF(这项研究的投资方)的一篇新闻稿称,通过观察信号到达时间-列文斯顿探测器比汉福德探测器早7毫秒记录了这个事件-科学家们能够推断源头在南半球。

        根据广义相对论,一对围绕着彼此旋转的黑洞随着引力波的发射而损失能量,导致它们在数十亿年间逐渐相互靠近,在最后几分钟速度会大幅增加。根据爱因斯坦的方程 E=mc2,在最后的若干分之一秒内,两个黑洞以近乎1/2光速的速度碰撞,形成一个质量更大的黑洞,并将结合而成的黑洞质量的一部分转化为能量。这部分能量会以强大引力波的形式释放,即LIGO观测到的引力波。

        引力波的存在最早是由约瑟夫泰勒和他的同事们于20世纪70年代和80年代证明的。1974年,泰勒和拉塞尔赫尔斯发现了一颗在轨道上运行的脉冲星,它位于一颗中子星附近。1982年,泰勒和约瑟夫M.韦斯伯格发现脉冲星轨道随着时间推移逐步缩小,原因是能量以引力波形式发射了出去。由于发现了脉冲星而且这将可能使得引力波测量成为可能,赫尔斯和泰勒荣获1993年诺贝尔物理学奖。

        LIGO的新发现是人类首次观测到引力波本身,通过测量引力波传播经过地球时对时空造成的微小扰动而观测到。

        “我们这次观测到引力波,实现了50多年前设立的宏伟目标-直接观测这难以捕捉的现象,并且对宇宙有了更好的了解,而且值相对论100周年纪念日之时,证实了爱因斯坦遗留的理论。”赖茨说。

        LIGO研究项目由LIGO科学合作组织(LSC)发起,LSC是由1000多名来自美国及其他14个国家的大学的科学家组成的团体。LSC中,超过90所大学和研究机构致力于开发探测技术和分析数据;约250名学生为这个合作组织做出了卓越贡献。

        “这次探测是一个新纪元的开端:天文学的引力波领域现在成为了现实。”LSC发言人,兼路易斯安那州立大学的物理天文学教授加布里埃拉冈萨雷斯说。

        LIGO最初被提议用作探测引力波的方法是在1980年代,由麻省理工的雷纳韦斯、加州理工学院的基普索恩和罗纳德德雷弗提出。

        “这种探测方法在100年前爱因斯坦广义相对论有过完美的描述,它成为强引力的最初验证方法。如果我们有机会告诉爱因斯坦,能看到他的表情,那实在太棒了。”韦斯说。

        “有了这项发现,人类要开始着手一段非凡的探索:探索宇宙的弯曲面-由扭曲时空构成的物体和现象。黑洞碰撞和引力波是我们漂亮的开端。”索恩说。

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