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引力波有什么用?

目前如果要评选科学界最前沿、最热门的研究领域,大多数人会把选票投给引力波,因为该领域的科学家两年内4次捕获来自黑洞的引力波、1次获得诺贝尔奖,并且该领域对所有科技发达国家的研究计划产生了影响。

又见引力波

值得庆幸的是,在刚刚过去的2017年10月,科学家又宣布,在8月17日,美国激光干涉仪引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,简称LIGO)和欧洲处女座引力波天文台(VIRGO)从两个相隔千里之地同时首次捕获到中子星碰撞所发出的引力波。这是科学家近一年多来第5次检测到引力波,前4次是黑洞合并所产生的引力波,而这次是中子星碰撞所发出的引力波。

中子星是恒星演化到末期,经由超新星爆炸之后,可能形成的产物之一。在其形成过程中,恒星会遭受剧烈的压缩,内部物质中的电子并入质子后形成中子,最终成为直径只有十几千米,质量却是太阳数倍的致密星体。中子星的许多天文现象很有观测价值,比如中子星的密度极高,每立方厘米便可重达数十亿吨,当两个致密的中子星进一步碰撞合并时,瞬间释放出巨大能量,这时天空中一些方向的伽马射线强度会在短时间内突然增强,产生所谓的“伽马射线暴”。

这次的发现过程是这样的:

首先,LIGO与VIRGO同时捕获到一个持续时间为1百秒左右的新引力波信号,通过对信号特点的分析,科学家认为这是两颗中子星并合产生的。引力波信号到达后大约1.7秒,美国国家航空航天局(NASA)的费米卫星探测到了一个伽马射线暴。由于引力波信号和伽马射线暴同一时间来自天空同一区域,科学家认为两者必然是由同一个天文事件产生的。

随后,世界各地的天文学家都接到LIGO通知,纷纷动用一些最先进的望远镜,比如钱德拉X射线空间望远镜、哈勃空间望远镜、甚大望远镜以及阿塔卡玛大型毫米波天线阵,对相关区域展开观测。

后续的天文观测持续了数周,结合这1百秒左右引力波的数据,科学家可以对这一天文学事件做出全面的描述。大约在1.3亿年前,长蛇座尾部的“NGC4993”星系中,两个比太阳略重的中子星不期而遇,它们刚开始相距约400千米,以每秒12圈的速度围绕彼此转动。巨大的质量搅动着宇宙,传出一阵阵时空的涟漪——引力波。

随着中子星越靠越近,两者转速逐渐增加到每秒2000圈,引力波的“哨音”也愈发急促。终于,两个中子星碰撞在一起,10亿℃的高温物质从碰撞处喷涌出来。巨大的冲击波也在穿过喷涌物质时,散发出强烈的伽马射线。这些光、宇宙射线和引力波一起,以光速行走了1.3亿年,终于来到地球,被人类察觉。

“多信使天文学”

这次捕获到中子星碰撞所发出的引力波,对天文学研究产生里程碑式的发展。

我们常说,天文学研究是“盲人摸象”,因为宇宙太大了,要了解它太难了,一种观测方式往往只能了解片面的信息。从古人单凭肉眼仰望星辰,到伽利略首次用天文望远镜对向夜空,人类观测宇宙的唯一方式曾经就只有用眼去看,但这种观测受到天气条件的约束,而且许多星体是肉眼看不到的。

随着科学的发展,人们逐渐认识到在可见光之外,宇宙中还存在X射线、无线电波等看不见的射线。通过探测它们,可以触摸到宇宙这只“大象”的另外一些方面,比如黑洞的引力让光线也无法逃脱。人们无法看见黑洞,但是它会释放出很强的X射线,这让天文学家得以分析黑洞的若干性质。所以,现代科学家所研究的就是“电磁波天文学”——用可见光、X射线、无线电波等不同波段的电磁波来“看”天文现象。

然而,引力波是与电磁波本质不同的物理现象,百年前爱因斯坦的广义相对论指出,引力波记录的是时空变化的“涟漪”,它与物质的相互作用非常弱(不像电磁波),其携带的来自波源的信息恒久不变。通过这种全新的物理现象,科学家又有了一种“听”天文的方式,使“电磁波天文学”会进化为“多信使天文学”,既可以利用电磁波“看”,又可以用引力波“听”天体,并且还可以利用电磁波“看”那些用引力波“听”到的天体。此次的“中子星碰撞”就是用这种手段来研究的——科学家仅靠引力波数据就了解了中子星碰撞的过程、确定了伽马射线暴的起源,然后利用电磁波又“看”到这次碰撞。

接下来,科学家会用同样的技术手段(LIGO、VIRGO)观察更多的黑洞、中子星合并产生的引力波,以后可能每天都有新发现。同时,多信使天文学还有两个更重要的方向要去探索。一是去探索更加微弱的引力波。按照爱因斯塔的理论,引力波信号的强弱与发射源的质量和远近有关。目前科学家所捕获的引力波信号,要么来自黑洞,要么来自近距离的中子星,都是比较容易找到的。而宇宙中更多的引力波源自数目庞大的小星体,比如行星、白矮星,它们活动更频繁,但发射的引力波信号就要弱许多。但目前,LIGO、VIRGO的技术还达不到能测到它们的精度。

另一个更伟大的目标,就是尝试收集宇宙大爆炸产生的初始引力波。因为引力波不会衰减,所以初始引力波很可能还在宇宙中回荡。找到它们,或许能够帮人类开始认识宇宙起源与物质创生的秘密,甚至有可能开始探测光产生之前的原始宇宙。

科学理论推测,138亿年前,大爆炸发生之后的一段时期里,宇宙里充斥着非常热的光子、电子、质子组成的等离子态物质,它们组成了高温、高密度的带电浆云。光子在这团浆云中不断与电子和质子发生散射,根本跑不出这锅炽热的粒子粥。所以,最初的那38万年的宇宙,我们是无法看到的。直到大爆炸发生38万年后,随着宇宙膨胀和冷却,原子开始形成,带电浆云渐渐散开,宇宙中就有了可以传播的光线(运动的光子)——这也是“电磁波天文学”可以研究的所有天文现象的“时间起点”,如果要研究这之前的事情,只能寄希望于初始引力波。但初始引力波的频率更低,波长跟整个宇宙的尺度差不多,对技术要求更高,虽然我们不知何时才能实现,但这还是给我们带来了希望和研究方向。

引力波还能干什么?

最后,我们无法免俗,还是要来讨论一下引力波对于普通人有何价值,毕竟“宇宙时空”这种事离我们太远了。其实,科学家在探索引力波过程中带来的科技进步,已经有不少能够转化为民用。

以世界上最重要的引力波探测天文台即美国的LIGO为例,它耗资数亿美元,由上千位科学家花费40年时间建成,但目前仍需要继续“升级”。原因就在于,引力波是非常微弱的,地壳运动的震颤、数千千米外海浪拍打岩石的声音、温度的略微上升,都可能对探测造成影响。为了保证抗干扰能力,LIGO须把精度技术提升到极致。

比如,LIGO使用的镜片由高纯度的二氧化硅制作,能够做到每射来300万个光子,只有一个光子会被镜子吸收,即只挡住了一个光子。可以说镜片甚至比空气还要通透,该技术可以用于医疗、手机、相机;探测引力波时,LIGO激光在天文台内反射400次,光路总长度达到1600千米,但仍能做到不发散、不衰减,其中必然使用了高超的激光功率放大技术,那么或许可以给无人驾驶汽车中的激光雷达提供一些借鉴;LIGO真空系统内的压强,可以做到海平面大气压强的一万亿分之一,如此高程度的真空技术,对于需要防尘的半导体加工工业应该同样有用;而LIGO的减震抗震系统,在军用导弹存储方面可以照搬应用。

那么,引力波本身能干什么?可以说,在能够预见的将来,引力波对于日常生活几乎毫无用处,最多也只能给导演或者作家提供一些创作灵感,比如电影《星际迷航》、《星际穿越》以及小说《三体》中都有关于引力波的桥段。不过,当初人类最开始意识到电磁波存在时,也并没有感觉到电磁波有什么用,如今,电磁波却在微波炉、手机、航空中不可或缺。由此推测,引力波也许能够重复这个故事。

本文源自大科技〈科学之谜〉杂志2018年1期 文章 欢迎您关注大科技公众号:hdkj1997

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