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聆听引力波———时空震颤的涟漪

2016-05-17

■讲座现场


       100年前,爱因斯坦在相对论中预言了引力波的存在,100年后,科学家们印证了爱因斯坦的预言。一百年的不懈探索,终于取得了里程碑式的进步,社会各界对于引力波都非常好奇。日前,天文系教授朱宗宏、英国格拉斯哥大学教授、北师大特聘外国专家———IkSiongHeng,英国格拉斯哥大学引力天文学和宇宙学教授马丁•亨得瑞,格拉斯哥大学荣誉研究员、北师大校友范锡龙和天文系副教授张帆五位嘉宾做客“风云论坛”,为师生带来了一场引力波科普盛宴。

       ●引力波可以让我们追溯到宇宙诞生后10-35秒的物理状态。我们利用引力波可以接触到宇宙早期的状态,这将极大地帮助我们揭开宇宙诞生之谜。
  
       ●虽然9月份就检测到了引力波,但是我们是在五个月后才把它公布于世界,在此期间我们把可能出现的误差全部都逐一检查。

       引力波———从预言走到现实朱宗宏:引力波是伴随着1916年爱因斯坦广义相对论而出现的一个预言性概念,当引力场发生振动的时候,能量会以波动的形式向外传播,就像电磁场发生振动,能量以电磁波的形式向外传播。
  
       上个世纪70年代,两位美国天文学家通过长期观测一个中子星双星系统,发现了绕转过程中双星轨道周期变短,能量以引力辐射的方式损失的现象,间接证明了引力波的存在,并因此获得了1993年的诺贝尔奖。
  
       不过,科学家们并不满足于间接证明,自上个世纪90年代开始,美国、欧洲、澳洲、日本都纷纷建造了大型激光干涉仪,特别是美国的两架臂长4公里的LIGO干涉仪,从1992年开始修建,经过不断技术升级,终于在2015年的9月份以高级LIGO干涉仪的全新面貌开始试观测。令人激动的是,试观测不久,也就是2015年9月14日,Ik/Siong/Heng教授所领导的引力波爆发源数据分析组就最先看到了引力波信号,随后其通知所有相关人员进一步关注分析。最终,在2016年的2月LIGO科学合作组织(LVC)把首次探测到引力波的消息向世界宣布。
  
       张帆:引力波与电磁波是不同的信息携带媒体,电磁波在时空中传播,而引力波是时空本身的波动。微波背景辐射可以让我们了解宇宙诞生后30万年的物理状态,而引力波却可以让我们追溯到10-35秒。因为万有引力常数g是一个很小的数,引力波和物质的反应是非常弱的,不容易被吸收。我们利用引力波可以接触到宇宙早期的状态,这将极大地帮助我们揭开宇宙诞生之谜。如同盲人摸象,我们用电磁波、引力波等不同的波段去观测宇宙,得到了不同的认知信息,在信息的交流中,我们能更清晰地知道这个“象”长什么样。
  
       引力波发现 “背后的故事”
  
       朱宗宏:首次探测到的引力波事例GW150914,是被位于美国路易斯安那州和华盛顿州的两台LIGO探测器前后相差7毫秒观测的。该信号和理论估测的双黑洞互相绕转、并合,最后铃宕的过程非常吻合。两个合并黑洞的质量大约都是30个太阳质量,离我们13亿光年,大概位于南天,并合以后,它所带有的约3个太阳质量的能量,以引力波形式释放出去。随着欧洲、日本的以及将来印度探测器的运转,未来我们可以把这个方向定得更准。
  
       IkSiongHeng:根据LIGO宣布探测成功的文章中所写,当本次双黑洞并合的引力波信号在9月14日被两台LIGO探测器接收后,我领导的爆发源数据分析组在3分钟内便从数据中发现了它。这么快速的反应,是因为我们组的主要任务就是快速选出候选事件,告诉电磁波段望远镜,做到提前预报联合观测,从更多的信息中更好地理解天体物理事件。虽然9月份就检测到了引力波,但却没有立即将它公布于世界,我们在这期间进行了仔细的排查。因为引力波的首次探测是一个非常重要的科学发现,必须要做到严谨,必须要百分之百确定真的是找到了这个东西!LIGO这个项目巨大,组成部分众多,人员复杂,在此期间我们把所有数据记录、监测器表现、可能出现的误差全部都逐一检查,甚至调查了黑客的可能,以确保信息精确,唯有这样,才能确信结果是值得信任的。
  
       范锡龙:去年9月份,监测到引力波信息的时候,我们三人正在北师大访问,当时我们都很兴奋,由于信息尚处于探索确证阶段,我们不能立即公之于众,只能“秘密”地讨论,我们当时都认为,这极有可能是真的信号。因为信号先后出现在两个LIGO探测器中,而且波形非常相似,关联性很强,如果是高频噪音,很难出现两个一样的东西;LIGO探测器配备了30万个环境噪声的监控器,监测地面震动、激光稳定性等方面的扰动,大家检查后发现信号到来时,探测器的状态正常,我们当时已经非常确信这就是真的信号了。
  
       但是,要真正宣布引力波探测成功,还需要对波源性质进一步分析确认。于是,我们继续探索这个信号的特点,将它与我们预测的天体的特点,比如致密天体,合并去比较。如果二者特点相似性高,我们便可以对这个信号的真实性更有信心了。最终,我们计算出这次看到的信号。这个工作我们花了五个月时间。
  
       在发布会召开前夕,为了让大众可以更快更深入地了解引力波这个“新生名词”,我与其他LVC的中国成员们基本是24小时连续工作,每个人都满负荷地写科普文章,把专业英文词汇先翻译好,放到网上,方便媒体宣传使用。办一个成功的发布会不容易,我们是24小时全体协作来做这件事情的。
  
       此外,马丁、朱宗宏等教授还向大家深入讲解了拥有两个探测器的重要性。拥有这两个探测器,除了可以利用关联性排除噪音,其对于波源的定位也至关重要。信号出现在两个探测器中,通过一系列的综合分析,如分析到时时间等,可大致判断其方向。不过,这样的定位精度对传统天文观测来说还是不够的。令人兴奋的是,今年意大利3公里臂长的VIR-GO探测器已经升级完成,开始与LIGO同步观测,那么精确度会精进很多。再往后看,印度已经确定要建造“LIGO/In-dia”,日本KAGRA更是已经建成,他们期待中国未来能有建造探测器的计划,那样探测定位就可以达到很高的精度了。欧洲的LISA项目去年已经成功发射了探路者实验卫星,它所携带的技术有望应用到太空引力波探测器上,由三个卫星互相之间发射接收激光形成一个干涉仪。空间引力波探测可以避免地球上地震等环境噪声,将低频引力波探测变为可能。在低频波段,我们有机会看到星系中心超大黑洞的碰撞,并研究星系演化历史等问题。如果空间和地面可以联合起来,提前几周甚至几个月的时间告诉地面探测器,提前预报能够把整个过程都看得更加详细。
  
       北师大的引力波科研之路引力波的探测是一个庞大且历时长久的高度国际合作项目,它牵扯到众多国家近百个科研单位和大学,朱宗宏、张帆等教授在讲座中,亦介绍了北师大的引力波科研情况。十几年时间,北师大都在与宇宙学课题组做引力波天文学方面的研究,尤其在引力波背景方面,他们的工作成果也被LIGO本次发表的一篇文章引用。这些年来,北师大天文系一直坚持培养引力波科研人才,几乎每年都在北师大举办引力波夏令营培训班,硕士生、博士生也多利用寒暑假,赴澳大利亚、美国、德国等地进行访问研究。去年四月在卡弗里研究所举办的为期一个月的引力波国际会议,当时引力波发布会的发言人David//Reitze也出席了会议,会议成果以《中国科学专刊》的形式发表,David/Reitze与张帆教授合作的文章也发表在该特刊上。同时北师大也邀请了从事引力波研究的资深外国专家,如马丁•亨得瑞,Ik/Siong/Heng等人每年来到北师天文系组成外专团队。北师大从2015年初就一直在建设一个综合天文、物理和计算机信息科学学院的引力波研究课题组,我们将在学校打造一个引力波交叉学科研究平台。
  
       目前,北师大引力波科研队伍加入的是日本的引力波探测项目,现在日本人在神冈的一个地下山洞里,建设了名叫KAGRA的激光干涉仪,在北师大的推动下,科大、清华也加入了KAGRA项目。目前探测器已经进入试运行阶段,各方面状况良好,加上它的低温技术与更高精密的激光干涉装置,两年之后,KAGRA很有希望赶上美国引力波探测项目。
  
       100年前,爱因斯坦在相对论中预言了引力波的存在,100年后,科学家们印证了爱因斯坦的预言。一百年的不懈探索,终于取得了里程碑式的进步。引力波科学是一个前沿的问题,涉及学科很多,光电高新技术、物理、天文、IT等人才在该领域都大有用武之地,希望师大学子培养不怕磨难的钻研精神,相信每一个有自己特长的人都会在这样一个前沿的问题中找到适合自己的位置。 (李木子、熊超根据速录整理)