宇宙中有没有我们“看”不到的地方呢?

文章作者:管理一号 | 2019-06-14
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地理学大概是人类最陈旧的学科了。尽管历史悠久,可是在很长的一段年月里,地理学家都只能靠“看”来了解世界,看的是悠远天体宣布的光。光是电磁波,其间只要很少一部分能被人看到,这一部分叫做可见光。其他的光,如无线电、微波、红外线、紫外线、X射线、伽马射线等,都超出了人眼可见的规模,要用特别的仪器才干勘探到。凭借这些仪器,今日的地理学家们现已能够在全电磁波对世界进行调查,“看”到咱们的先人看不到的世界。(如图1)

图1:银河系在不同电磁波段照的相片。可见光波段的相片在第八行。(Credit: NASA)

世界中有没有咱们“看”不到的当地呢?公元2015年9月14日将永载史册,由于这一天,美国的激光干与引力波地理台(英文简称LIGO)搜索到了一个来自世界深处的信号。这个引力波信号不是“看”到的,是“听”到的。

引力波是广义相对论的预言。浅显的来讲,引力波就好像时空中的涟漪:时空受扰动后,这种扰动会像波相同向外传达,传达的速度是光速。引力波带来的作用之一便是使两点间的间隔有规则的振荡。正是经过准确丈量地球上两点间间隔的改变,LIGO才勘探到了引力波。这是一项艰巨的使命,由于这些引力波构成的扰动起伏大概在10-21这个量级。也便是说,即使有一把1000公里的尺子,引力波经过的时分,尺子长度的改变也仅有一个质子那么小,更何况LIGO的两个勘探器都只要4公里长。

勘探引力波为什么要靠“听”呢?咱们的耳朵之所以能听到声响,便是由于鼓膜对空气的振荡作出呼应。空气振幅越大,声响听起来越响。而咱们的眼睛之所以能看见物体,是由于视网膜对光子作出呼应。单位时间内碰击视网膜的光子越多,物体看起来越亮堂。由于引力波地理台勘探的是引力波的振幅,而不是引力波的流量,所以作业原理更像用耳朵听声响。

什么样的天体能被引力波勘探器“听”到呢?正如人耳听不到特别弱小的声响相同,引力波勘探器的听力也是有极限的。只要满意“嘹亮”的引力波源,才干被“听”见。从原理上来说,这些天体根本都要满意以下四个条件。

1、质量大。这便是为什么尽管事故也发生引力波(振幅大概在10-41左右),可是研讨引力波的专家一般不关心它们,除非有货车直接撞在了引力波地理台的外墙上(这样的乌龙事情真的发生过)。

2、标准小。太阳的质量是2x1027吨,水星是3x1020吨。即使这两个质量看上去现已很大了,但咱们仍是很难丈量到太阳-水星这个体系辐射的引力波,原因便是水星到太阳的间隔有六千万公里,这个体系的标准太大了。

3、形状不对称。和太阳比起来,中子星更重,尺度也小多了。可是单个中子星仍是难以发生强的引力波,原因便是中子星太圆。这也是为什么今日咱们还没有勘探到中子星自转发生的引力波。

4、间隔不太悠远。关于这一点,咱们下次接电话的时分把听筒拿的离耳朵远一点就有体会了。

世界中能够一同满意上面四个条件的天体并不多。在科学家“提名”的候选天体中,两个黑洞兼并是排名比较靠前的。公然,榜首起引力波事情便是双黑洞兼并事情。不过,让大多数地理学家大跌眼镜的是,咱们榜首次“听”到的黑洞居然和曾经“看”到的彻底不相同。

在“看”世界年代,咱们发现了一类比太阳重10倍左右的黑洞,它们都旅居在一种叫做“X射线双星”的天体中。地理学家估测,这类黑洞应该是大质量恒星逝世后留下来的遗骸。在教科书中,这类黑洞被称为“恒星级黑洞”。在学术会议上,地理学家常常不苟言笑的说:“众所周知,大质量恒星逝世后会构成黑洞,其典型质量是10倍太阳质量。”

LIGO“听”到的榜首起双黑洞兼并事情就推翻了地理学家对恒星级黑洞的界说。在这次事情中,一个黑洞比太阳重36倍,另一个比太阳重29倍!这样重的黑洞,在X射线双星中前所未见。一时间,整个地理届为之轰动。上面那句“众所周知”,从此也在学术圈隐姓埋名了。

地理学家为什么信任LIGO勘探到了超重的黑洞呢?换句话说,从引力波怎样就能够得知黑洞的质量呢?答案就在引力波的频率上。引力波的频率直接反映了两个黑洞彼此绕转的快慢。大略来说,黑洞越重,兼并前两个黑洞绕转地就越慢,因而引力波的频率也越低。反之,黑洞越小,发生的引力波频率越高。经过频率的凹凸,咱们能够判别黑洞的巨细,正如经过腔调的凹凸,咱们能够区分小提琴和大提琴的声响相同。

截止到2018年末,LIGO和欧洲的Virgo勘探器经过联合观测,又搜索到了9起比较坚信的双黑洞兼并事情,外加一同双中子星兼并事情。在这9起双黑洞兼并事情中,7起都含有超重黑洞,有些黑洞在兼并后乃至重达80倍太阳质量。(图2)

图2: LIGO/Virgo勘探到的双黑洞(蓝色)和双中子星(橙色)。紫色圆点代表X射线双星中的黑洞,黄色圆点代表已知的中子星。(Credit: LIGO/VIrgo/Northwestern Univ。/Frank Elavsky)

为什么这类超重黑洞从没在X射线双星中被“看见”过呢?超重的黑洞究竟是怎样构成的?它们真的是大质量恒星逝世后的产品吗?咱们“听”到确实实是超重双黑洞的“原声”吗?有没有可能是“失真”了的声响呢?还有其他办法能够证明超重黑洞的存在吗?关于这些问题,地理学家还没有清晰的答案。

但有一点是咱们的一致,那便是,人类调查世界的“默片”年代现已终结了。咱们步入了“有声电影”年代,下一步自然是要提高视听感触。在“听觉”方面,经过下降引力波勘探器的噪声(如LIGO/Virgo的晋级方案,以及未来的Einstein Telescope),咱们能够“听”得更远。经过制作新的地上引力波勘探器(日本的KAGRA,印度方案中的IndIGO等),咱们能够“听”见“立体声”,然后区分引力波天体的方向。经过在太空建立引力波勘探器(如欧美的LISA,日本的DECIGO,我国的“太极”和“天琴”方案等),咱们能够“听”到愈加消沉的“bass”,然后找到世界中更悠远、更重的黑洞。这些作业,都在连续地打开。

我国人有句话,叫做“兼听则明”。这儿调整一下标点,兼“听”则明,拿来比方今日的引力波地理学,刚好适宜。

陈弦,北京大学物理学院地理系助理教授,长时间从事和黑洞邻近的动力学有关的理论研讨,对辐射引力波的天体特别感兴趣。

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