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爱因斯坦预言的引力波,为何百年后才被探测到?
发布时间:2024-06-12     作者:   来源:中国科学技术馆   分享到:

考古学家的梦想是记录下李白吟诵的声音,古生物学家的梦想是记录下恐龙吼叫的声音,他们的梦都太难了,只有天文学家是幸运的,他们“听”到了亿万年前,超大星体乃至早期宇宙活动的“声音”——纳赫兹引力波。

引力波是空间本身的波动。我们的世界有两部分,一部分是物质,一部分是物质所在的空间(包含时间,物理学家也叫它“时空”)。

空间看似是很稳定的,你拿出尺子,不论身在北京或者纽约,无论往左右,还是前后、上下看去,一米就是那么长,没有变化。

但相对论告诉我们,空间会发生“弯曲”。不但如此,爱因斯坦和数学家庞加莱还预言了,很多时候,空间的弯曲可以像波纹一样弥散开去:整个宇宙空间就像湖水,星体(的某些)运动则让湖水上荡漾开各式的波纹——引力波。

科学家记录下引力波的图形,把这个波形看做声波播放出来,就“听”到了宇宙的声音。这可能是数亿年乃至百亿年前的,人类能想象的最古老的声音。

引力波有不同的频率。低频引力波一般来自超大质量黑洞的绕转旋进,甚至可能来自混沌早期宇宙,是人们探索超大质量黑洞的奥秘,乃至研究早期宇宙活动的很珍贵的窗口。

探测空间的波动是一件很艰难的事情,因为这个波动太微弱了。爱因斯坦一百年前预言的引力波,直到2015年才被人类确切地探测到。

最初的方法,是用激光装置摆出一个“阵”,其作用是一把测量空间长度的“尺子”。如果这个尺子突然变长或者缩短了,就说明有空间弯曲的波纹掠过,也就探测到了引力波。

不同大小的尺子,可以找到不同波长的引力波。尺子越大,找到的引力波的波长就越长,其频率也就越低,越有可能给出超大质量黑洞绕转旋进的信息,以及早期宇宙遗落的线索。

人类第一把探测引力波的尺子有几公里的长度,它找到了几十到几百赫兹的空间波动。

在地面上很难做的更大了,于是科学家在太空造尺。包括我国的“天琴计划”在内,多个课题组依靠卫星,在空旷的地外空间组建巨大的激光尺子,测量更大尺度的空间波动。他们找到了频率为几赫兹的引力波。

这已经很了不起了,但人类的探索没有尽头,几百赫兹不够,几赫兹不够,要纳赫兹(十亿分之一赫兹)。

怎么把尺子做到更大?要寻找纳赫兹频率的引力波,除非把整个宇宙作为实验室,用星系间距那么长的尺子来探测?——这可能吗?

不但可能,已经做到了。

科学家直接用宇宙中的脉冲星当做自己的实验设备,做出了宇宙级的无比巨大的“尺子”。

脉冲星是一种特殊的天体,它一直发射高能射线,同时也在稳定而高速地旋转,就像一个人拿着高亮度手电筒,在黑暗的宇宙中一下一下不停转圈,如果他的手电筒可以扫过地球,人类就会观测到一下一下的“手电筒”信号,其时间间隔非常稳定。

那么,如果这个稳定的“手电筒”信号,突然缩短或者延迟了,说明什么呢——很可能,是这中间传播的空间发生了扭曲,换句话说,可能有引力波扫过这个区域。如果同时观测多个脉冲星,引力波扫过的信号就会更明显,也更确切。

科学家把至今掌握的很多脉冲星看做一个“阵列”,通过观察这个阵列中哪些脉冲星信号,在何时出现怎样的变动,反推引力波的信息。这个布置在宇宙中的阵列,更学术地叫做脉冲星计时阵列(PTA)。中国团队与而中国的相关项目,就是标题中的CPTA。

最近,中国用位于贵州大山中的巨大射电望远镜(“中国天眼”FAST),观测57颗毫秒周期的脉冲星阵列,在很高的精度下(约为五十万分之一误报率),得到了纳赫兹级别的引力波存在证据。

这样低频的引力波,其波长有好几光年,频率有数年之久,对空间的扭曲大小却微乎其微,而中国的团队做到了杰出的精度,这是我们的科学家用宇宙级尺度的实验设备,长久地细细打磨出的成果。

初探纳赫兹引力波,还不能说我们捕捉到的信号对应着某一个天文事件,它更像是整个宇宙在纳赫兹频率下荡漾的背景;就像湖水在风波、鱼纹、雨点之外,其整体还在缓缓波荡沉浮。这些信号,是数十数百亿年的时间里,那些雄踞一方的超大质量黑洞乃至宇宙本身,在浩瀚的空间描绘了巨大的、浅浅的花纹;就像中国的诗人曾经写下:

“当笔画出地平线

你被东方之锣惊醒

回声中绽放的是

时间的玫瑰”。


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