美国科学家宣布第一次直接探测到引力波的存在

2016-02-13 08:44 北京日报

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来源标题:引力波发现!广义相对论获证

LIGO的技术人员正在美国路易斯安那州利文斯顿市的引力波探测器实验室内工作。新华社/路透  

2月11日,在美国首都华盛顿举行的新闻发布会上,LIGO执行主任戴维·赖茨宣布科学家们已经探测到引力波。新华社/法新  

LIGO位于美国路易斯安那州利文斯顿市的一处引力波探测器实验室。新华社/路透  

美国科学家11日宣布第一次直接探测到引力波的存在。引力波是爱因斯坦广义相对论实验验证中最后一块缺失的“拼图”,它的发现是物理学界里程碑式的重大成果。

经过13亿年旅行抵达地球

在一片嘈杂的背景噪音中,一声“噗”的清脆声响,如水滴落水,持续时间短暂得不到1秒,这正是由引力波转化成的宇宙之声。当天在华盛顿召开的记者会上,美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)科学家现场播放了来自宇宙的“声音”。

这个声音源自于13亿年前一个双黑洞系统的合并。正如LIGO项目组发言人、路易斯安那州立大学物理学家加布里埃拉·冈萨雷斯所言,那时“多细胞生物才开始在地球上扩散”。合并所产生的引力波信号,经过13亿年的漫长旅行,于2015年9月14日抵达地球,被LIGO的两个探测器以7毫秒的时间差先后捕捉到。

“我们能够‘听见’引力波,我们能够‘听见’宇宙,这是引力波最美妙的事件之一。我们将不仅‘看见’宇宙,我们还将‘倾听’它,”她在记者会上介绍。

“女士们、先生们,我们已经探测到引力波,我们找到它了。”LIGO执行主任戴维·赖茨当天在华盛顿举行的记者会上宣布。来自加州理工学院的赖茨把寻找引力波比作科学上的登月项目。“我们做到了,我们登上了这个‘月球’,”他兴奋地重复道。参与记者会的还有麻省理工学院的研究人员及资助研究的美国国家科学基金会人员。

1000多名科学家参与搜寻

引力波是一种时空涟漪,如同石头被丢进水里产生的波纹。黑洞、中子星等天体在碰撞过程中有可能产生引力波。100年前,爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在。广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星近日点进动以及引力红移效应都已获证实,唯有引力波一直徘徊在科学家的“视线”之外。

上世纪70年代,曾有美国科学家在观测双星系统的过程中,发现引力波存在的间接证据,并因此获得1993年诺贝尔物理学奖。

据研究人员估计,两个黑洞合并前的质量分别相当于36个和29个太阳质量,合并后的总质量是62个太阳质量,3个太阳质量的能量以引力波的形式在不到1秒的时间内释放,释放的峰值能量比整个可见宇宙释放的能量还要高出约50倍。

LIGO是美国分别在路易斯安那州利文斯顿市与华盛顿州小城汉福德市建造的两个引力波探测器,改造升级后其探测灵敏度大幅提高。10多个国家超过1000名科学家参与了这个搜寻引力波的项目。

引力波天文学成为现实

有关LIGO发现引力波的传言已在物理学界传播了几个月,最早透露这一消息的是美国亚利桑那州立大学物理学家劳伦斯·克劳斯,但一直没有获得LIGO项目组证实。

克劳斯11日对记者说,发现引力波是一个“重大里程碑”,它开启了观测宇宙的一个新窗口,就像望远镜的发明或太空无线电波的发现一样。引力波天文学将成为21世纪的天文学。

在当天的记者会上,也有人问所探测到的引力波信号是不是好得过头了?LIGO项目科学家的回答是,他们花了几个月的时间进行验证,这也是为什么去年9月探测到引力波信号,却拖到今天才宣布。这些科学家还相信,随着探测器灵敏度的提高,今年应该会探测到更多引力波信号。

LIGO项目组发言人、路易斯安那州立大学物理学家加布里埃拉·冈萨雷斯说:“这一发现是一个新时代的开端,引力波天文学现在成为现实。”

背后的故事

去伪存真严谨验证

2015年9月14日星期一,升级版LIGO探测器刚刚开始运行,来自意大利的博士后马尔科·德拉戈什便收到搜索引力波信号程序的提示,这个提示他几乎每天都会收到。然而,这次却有些不同。两个LIGO探测器均探测到3分钟前、在当地时间上午11时50分45秒抵达的一个强度指数高达24的信号,而通常这种信号强度只有10。

一个小时后,参与该项目的全球相关研究人员都收到了德拉戈什的问询电子邮件——是否有人注入了这一信号。

然而,这一貌似普通的邮件并未引起大多数科研人员的注意。此前一些类似“假消息”的出现,让多数研究者没把这封邮件当回事儿。

除了时常出现的无价值信息以外,“盲注”也是让人不敢轻信此次引力波信号的原因。参与LIGO项目的澳大利亚墨尔本大学研究员孙翎告诉记者,在LIGO的正式运行中,有研究团队会做“盲注”操作,就是偷偷加入一些模拟的引力波信号,让其他研究者在不知有信号注入的情况下客观检验探测的准确性。

LIGO数据分析负责人之一、加州理工学院物理系教授艾伦·魏因施泰因告诉记者,得到引力波可能出现的信号时,他们的心情通常是矛盾的,一面会想“诺贝尔奖来了?”又会想“恐怕又是盲注,还是睡会儿吧”。

在随后获悉没有研究人员进行盲注试验后,魏因施泰因检查了几千个数据信道,且仍不断自我质疑。在接下来的日子里,疑似靠谱的引力波信号让LIGO科学合作组织的1000多名科研人员忙坏了,在全球分布的多个超级计算机开足马力,进行大量数据验证。

2015年10月12日,另一个疑似揭示引力波的信号出现,它被编号为LVT151012。由于这一发现再次发生在周一,圈内人士将其称为“第二次周一事件”。不少人打趣说,看来引力波只发生在周一。不过,那只是个小小的信号,科学家认为尚不足以称其为引力波信号。

但这一信号并非不重要,专家告诉记者,从统计学角度来说,引力波不可能是一个极其罕见的事件,尽管小信号LVT151012还属于疑似状态,但增加了先前信号的可信度。

最终,翻来覆去把大量数据分析了多遍之后,科研人员“说服”了自己,并向全世界宣布了研究结果。(综合新华社报道)  

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