網(wǎng)易科技訊 2月12日消息，據(jù)《自然》雜志報道，先進(jìn)激光干涉引力波天文臺（LIGO）宣布首次直接探測到引力波的存在，科學(xué)家們測量到2個黑洞碰撞產(chǎn)生的時空漣漪。此次發(fā)現(xiàn)不僅證實了阿爾伯特·愛因斯坦100年前預(yù)言的引力波，而且還有更多的重大意義。
作為時空構(gòu)造中的震動，引力波常常被比作聲音波，甚至可轉(zhuǎn)變?yōu)槁曇羝?。實際上，引力波天文望遠(yuǎn)鏡允許科學(xué)家在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡“看到”的同時“聽到”這種現(xiàn)象。（LIGO和意大利比薩更小的同類天文臺Virgo的會員，已經(jīng)建立一個提醒其他類型天文望遠(yuǎn)鏡社區(qū)的系統(tǒng)）
在上世紀(jì)90年代初，LIGO努力爭取美國政府的資金支持，但天文學(xué)家卻在國會聽證會上極力反對。他們的觀點(diǎn)是LIGO與天文沒什么關(guān)系，但佛羅里達(dá)州大學(xué)蓋恩斯維爾分校的相對論學(xué)家和早期LIGO支持者克利福德·威爾（Clifford Will）稱，現(xiàn)在情況改變了。
歡迎來到天文學(xué)引力波領(lǐng)域：我們將看看引力波能研究哪些問題和現(xiàn)象。
1、黑洞是否真實存在？
LIGO探測到黑洞合并的重要科學(xué)意義是，證實黑洞真實存在——至少是廣義相對論預(yù)測的由純凈、真空、扭曲時空組成的完美圓形物體。天文學(xué)家已經(jīng)獲得了大量有關(guān)黑洞的間接證據(jù)，但至今都是來自觀測圍繞黑洞的星體和超熱氣體，而非黑洞本身獲得。
新澤西普林斯頓大學(xué)廣義相對論模擬專家弗朗斯·普雷托里烏斯（Frans Pretorius）在LIGO宣布前曾表示：“科學(xué)界包括我自己都非常厭倦了黑洞話題，我們都認(rèn)為黑洞是理所當(dāng)然存在，但如果你考慮到這是非常驚人的預(yù)測，真的需要驚人的證據(jù)?！?/p>
LIGO探測到的信號提供了證據(jù)——也證實2個黑洞合并過程與預(yù)期一致。當(dāng)2個黑洞開始螺旋式相互靠攏，以引力波形式釋放能量時，合并發(fā)生了。LIGO探測到這種波的特殊聲音，被稱為啁啾，允許科學(xué)家測量天文臺觀測到的事件中2個物體的質(zhì)量：一個約為太陽的36倍，另一個為29倍。
接下來黑洞融合了。巴黎高級科學(xué)研究院的引力理論學(xué)家迪博·達(dá)姆爾（Thibault Damour）表示：“如同將2個肥皂泡沫靠得很近變成一個泡沫，起初更大的泡沫產(chǎn)生變形?！闭鏛IGO看到的，2個黑洞合并后變成一個完美的球形，但起初以衰蕩形式向外輻射引力波。
2、引力波是否以光速傳播？
當(dāng)科學(xué)家開始將LIGO的觀測結(jié)果與其他類型天文望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果進(jìn)行對比，他們首先要核實的事情之一就是這些信號是否是同時到達(dá)。物理學(xué)家猜測，引力是通過被稱為引力子的粒子傳播，類似光波中的光子。如果這些粒子與光子一樣沒有質(zhì)量，那么引力波就可以光速傳播，符合廣義相對論對引力波速度的預(yù)測。（速度會受宇宙加速膨脹的影響，但要在超過LIGO能探測的遠(yuǎn)得多的距離才能顯現(xiàn)）
引力子有很小質(zhì)量也是可能的，這意味著引力波的速度會低于光速。如果這樣，LIGO和Virgo可從宇宙事件中探測到引力波，這些波到達(dá)地球的時間要比其他天文望遠(yuǎn)鏡探測到的相關(guān)γ射線爆發(fā)要晚，這對基礎(chǔ)物理學(xué)將有巨大的影響。
3、時空是否由宇宙弦組成
如果引力波爆發(fā)被探測到來自“宇宙弦”，將產(chǎn)生更奇怪的發(fā)現(xiàn)。在時空彎曲中出現(xiàn)的這些假設(shè)的瑕疵，可能也可能不是與弦理論有關(guān)，將是無限薄但在整個宇宙中延伸。研究人員預(yù)測，這些宇宙弦如果存在可能會偶爾打結(jié)，如果一根弦斷了，會突然釋放出一陣引力波，然后被LIGO和Virgo等探測器測量到。
4、中子星
中子星是恒星因自身質(zhì)量而坍塌的遺跡，密度非常大，導(dǎo)致電子和質(zhì)子融合為中子。這種極端物理現(xiàn)象難以理解，但引力波提供了獨(dú)特的視角。例如，中子星表面的巨大引力往往使它們幾乎成為完美的球形。但一些研究人員通過理論研究發(fā)現(xiàn)，中子星也可能存在“山脈”——雖然最多只有幾毫米高——但足以使直徑約為10公里的中子星產(chǎn)生不勻稱。中子星通常旋轉(zhuǎn)速度很快，因此質(zhì)量的不均勻分布可能會破壞時空，以正弦波形式產(chǎn)生持續(xù)的引力波信號，輻射能量并放慢中子星的旋轉(zhuǎn)速度。
相互繞軌道運(yùn)行的一對中子星也可能產(chǎn)生持續(xù)的信號，如同黑洞一樣，這些星體以螺旋方式相互纏繞并最終合并，有時會產(chǎn)生聲音啁啾。但它們的最終融合可能與黑洞有很大不同。普雷托里烏斯稱：“有很多可能，這要看質(zhì)量和高密度中子物體產(chǎn)生的壓力?！崩纾喜⒑蟮男求w可能是巨大的中子星，也可能迅速坍塌變成黑洞。
5、恒星為何爆炸？
質(zhì)量巨大的恒星不再發(fā)光并因自身質(zhì)量而坍塌，形成了黑洞和中子星。天體物理學(xué)家認(rèn)為，這個過程就是II型超新星爆炸。但通過對這種過程的模擬還無法解釋爆炸的原因，而超新星產(chǎn)生的引力波爆發(fā)可幫助解釋這種現(xiàn)象。從射電天文望遠(yuǎn)鏡觀測到這種爆發(fā)的波形、聲音、頻率和它們與超新星的關(guān)系，可幫助驗證或否定現(xiàn)有的各種模型。
6、宇宙膨脹速度多快？
宇宙膨脹意味著從銀河系看，遙遠(yuǎn)的星體比實際更紅，因為它們發(fā)出的光在旅行過程中被拉長了。通過對比星系的紅移（red shift）與星系與我們的距離，宇宙學(xué)家可以估計出宇宙膨脹的速度。但這種距離通常用la型超新星的亮度來判斷——這種手段帶來很大不確定性。
如果全球多個引力波探測器能同時探測到同一中子星合并的信號，它們將能估計信號的絕對響度，揭示合并發(fā)生與地球的距離。它們也能用于估計信號的方向，然后天文學(xué)家可推斷出合并發(fā)生在哪個星系。將星系的紅移與引力波響度測量出的合并發(fā)生的距離進(jìn)行對比，可獨(dú)立估計出宇宙膨脹的速度，精確度可能超過當(dāng)前任何手段。（木秀林）
