天外啁啾何处来

题图
Credit: LIGO/T. Pyle

(按:本文略加修改发表于《知识分子》2018年2月12日号。如需转载,请联系《知识分子》。)

2015年9月14日,人类首次捕获来自双黑洞合并的引力波,似一声鸟啼,就此开启了引力波天文学的新时代。随着引力波探测水平的不断进步,我们有望在不远的将来听见数以千计的啁啾。物理学家如今正在思考,如何从鸟鸣声携带的丰富信息中提取双黑洞轨道的形状,进而了解其周边环境的特征。利用这些线索,我们也许有机会解密隐藏在黑暗宇宙中最引人入胜的玄机。

在虚茫无垠的宇宙深处,曾有两颗30倍太阳质量的黑洞,彼此环绕,逐渐靠近,经过了不知多久的相伴,终于在几秒钟内完成了最后一千米的冲刺,剧烈地拥抱在一起。随后,相当于3个太阳的质量化为时空的颤栗,飞散开来。这瞬间的功率,比宇宙中所有已知星系发出的光还要强10倍。

此后,时空的涟漪以光速飞行了十多亿年,终于在2015年9月14日到达地球。那一天,在美国激光干涉引力波天文台(LIGO)两架巨大且精致的干涉仪中,悬挂的镜面在这涟漪的扰动下出现了异乎寻常的抖动。而抖动的幅度,比原子核的尺寸还要小许多。不过,LIGO的镜面仿佛极端灵敏的鼓膜,足以听清那抖动中所携带的信号,犹如一声短促的啼鸣。这就是人类首次直接观测到的引力波信号,科学家称之为GW150914。

像GW150914这样来自双体系统合并的引力波信号,LIGO和VIRGO目前已公布了六例,其中一例来自一对中子星(GW170817),伴有各波段的光学信号。随着今后LIGO和VIRGO灵敏度的进一步升级、以及更多地面与空间引力波探测器的加入,我们对引力波的听觉将会愈加灵敏。据现有观测结果预计,在LIGO以接近其设计灵敏度的水平运行时,一年的观测时间将能捕获成百上千的双黑洞合并。这样的统计量将在真正意义上开启引力波天文学和宇宙学的新时代。自此以往,人类就拥有了一种倾听宇宙的全新感官,帮助我们探索视线难以触及的未知世界。 继续阅读

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