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用引力波窺探宇宙 還需找到這些源頭

2019-05-31 15:50:00
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科技日報

       尋找外星人,瑞典科學家想出了一個新辦法。近日,瑞典哥德堡大學的科研團隊發表論文探討了外星人掌握制造引力波技術的可能性。他們稱,其他先進的外星文明應該會考慮設置引力波發射器,而只要將歐洲航天局計劃發射的激光干涉儀空間天線(LISA)引力波探測任務稍做調整,就可以將它變成能捕捉地外文明通信信號的探測器。

        這種方法的可行性目前尚不可知。但自激光引力波天文臺(LIGO)2015年首次探測到引力波以來,已探測到多次引力波事件,其中包括13次由雙黑洞碰撞、2次由雙中子星碰撞,以及疑似由黑洞和中子星碰撞產生的引力波。要通過引力波去尋找外星人,顯然要對各種波源產生的引力波了然于胸才行。那么,目前人類已經發現了哪些類型的引力波源,還有哪些“隱身”波源有待探索?

        確認十多例事件,驗證理論預言

        引力波是時空的漣漪,會在宇宙間留下蹤跡。目前,已經現身的引力波源包括成對碰撞的黑洞、雙中子星并合,以及疑似黑洞吞噬中子星。

        LIGO于2015年9月14日第一次捕獲的引力波源頭正是一對相互碰撞的黑洞,“涉事”黑洞的質量約為太陽質量的30倍。LIGO的三位創始人也因發現引力波而榮膺2017年諾貝爾物理學獎。

        中科院國家天文臺研究員張承民解釋道:“這一事件證明,運動的大質量天體的確可以撼動時空并產生引力波,這正如在1915年發表的愛因斯坦廣義相對論所預測的那樣。不僅如此,這一發現還證明,地球上的高精度實驗可以探測到這些引力波——而愛因斯坦曾對此持懷疑態度。”

        此外,科學家此前曾預言,一對中子星相互繞轉碰撞,可能產生引力波。

        張承民介紹,中子星是8—25倍太陽質量的大型恒星死亡后、在自身重力的作用下發生坍縮的產物,其密度大得驚人,相當于將全球人口置于人的手心。

        2017年8月,LIGO-Virgo(歐洲室女座引力波探測器)團隊捕獲了第一個此類事件,并于今年4月25日再次得手。而且,通過分析引力波數據,科學家還揭示了中子星相互繞轉碰撞的隱藏細節,包括撞擊后產生了金、銀和鉑等貴金屬元素。

        另一種可以在時空中產生引力波的合并類似于我們在冰淇淋攤上看見的巧克力香草漩渦:一個黑洞和一個中子星合并成一個新黑洞。LIGO-Virgo團隊可能于4月26日看到了這種合并的“蛛絲馬跡”,但鑒于信號太弱,科學家們目前還無法對其蓋棺論定。

        張承民解釋道,如果證實該信號的確代表了一個黑洞和一顆中子星相撞,那將證明這兩種天體可以“比鄰而居”。在合并之前,該黑洞和中子星曾經組成了一個緊密的二元系統,相互繞軌道運行,經歷“千里共嬋娟”的死亡之舞,最后一起踏入墳墓。

        科學家們稱,研究這樣一個系統有助于梳理構成中子星內部所謂“核面食”的神秘物質。天體物理學家推測,恒星變成中子星時,密集的中子會以不同方式被推移和拉動,導致其形成各種形狀。它們類似于不同種類的意大利面食,因此被統稱為“核面食”。

        張承民說,監控黑洞—中子星合并可以向我們展示,在黑洞的極端引力作用下,附近的中子星會如何變形瓦解,這也是與“核面食”行為有關的一個謎團。

        尋找“隱身”波源,期待意外驚喜

        而截至目前,還有包括中等質量黑洞的碰撞、凹凸不平的中子星、超新星爆發以及宇宙大爆炸等產生的引力波未被人類捕獲,科學家們“為伊消得人憔悴”。

        迄今為止,LIGO和Virgo探測到的所有黑洞均為恒星級質量,這意味著它們的“體重”通常不到太陽的100倍。而超大質量黑洞的“體重”一般是太陽質量的數百萬或數十億倍,但目前尚不清楚是否存在質量介于這兩者之間的黑洞產生的引力波事件。以前的研究已經看到了這種中等質量黑洞的“蛛絲馬跡”,但探測到其彼此相撞產生的引力波將是更明確的證據。

        表面凹凸不平的中子星也是引力波科學家們向往的目標。2018年10月,美國和加拿大科學家在《物理評論快報》上撰文指出,“核面食”由于強度極高、密度極大,甚至可以堆疊成“山脈”,把部分中子星的外殼頂起來,在其表面形成凸起。在中子星快速旋轉的過程中,這些凸起處理論上會導致引力波輻射。因此,探測到表面有凸起的中子星也成為科學家的目標。當然,與其他大多數引力波不同,表面有凸起的中子星將產生連續的引力波輻射。

        此外,LIGO和Virgo也可以從超新星爆發過程中捕獲引力波,超新星爆發是大質量恒星生命結束時的一種劇烈爆炸。

        張承民表示,我們知道的是,在超新星爆發期間,恒星的中心會發生坍塌,由此產生的中子星從坍縮核的殘余那里收集物質,中子星表面的渦流會使其像鐘擺一樣振動,發出引力波。

        除此之外,宇宙大爆炸產生的引力波也是科學家們孜孜以求的目標。一旦探測到它就意味著能比以往任何時候都更深入地了解早期宇宙的歷史,以及宇宙膨脹等。

        當然,未來也有可能發現科學家們目前還不知道的引力波源。LIGO團隊成員、美國西北大學的克里斯托弗·貝瑞說,每當研究人員以新的方式觀察宇宙時,他們都會發現一些意料之外的東西,我們相信,探測引力波也是如此。

        需要更好的技術,還需要點運氣

        為什么上述幾種波源產生的引力波仍未現身呢?

        張承民解釋道,一方面與我們的技術本身未到位有關。比如,宇宙大爆炸產生的引力波可能會與其他物質產生的引力波混合在一起,“目前的探測器還無法‘揪出’宇宙大爆炸產生的引力波信號” 。

        此外,縱觀科學發展史,很多重大的發明,其實都是“運氣”的偶然產物。比如,X光就是德國物理學家威廉·倫琴在實驗室中研究陰極射線管的特性時偶然發現的。在尋找引力波源時,科學家們可能也需要更多的運氣。

        普林斯頓大學的天體物理學家戴維·拉迪斯及其同事在《天體物理學雜志快報》上報告說:“引力波、中微子和來自星系的超新星輻射可以讓我們了解恒星的結構、以及驅使恒星爆發的機制。”

        但問題在于,天文學家們不知道下一顆超新星何時爆發。拉迪斯說:“根據我們的估算,在銀河系大小的星系中,每100年可能只有2次超新星爆發,所以我們需要非常幸運,或者非常有耐心。”

        LIGO發言人、威斯康星大學密爾沃基分校的帕特里克·布雷迪說:“引力波天文學的時代已經到來,這個全新的宇宙窗口有望為我們提供一個獨特的視角,來逐一揭開宇宙的神秘面紗。”

        張承民說:“引力波還有很多謎團有待我們揭開,路漫漫其修遠兮,吾將上下而求索。”或許,這也是全球無數引力波科學家的心聲。

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