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此引力波不同于彼引力波:LIGO和BICEP2有何不同

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:3

    此引力波不同于彼引力波:LIGO和BICEP2有何不同

    恍惚之间,昨日重现,关于引力波(gravitational waves)可能已经被发现的轰动消息再次占据了新闻头条。不到一年前,BICEP2(Background Imaging of Cosmological Extragalactic Polarization 2)的研究团队曾声称发现了引力波,但最终核实为误报。近日,又有传言称,激光干涉引力波观测站(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO)很有可能已经发现了引力波,不过目前还没有见到任何官方声明。再过一段时间,我们应该可以知道对于LIGO是否真的探测到了引力波。而即便最终确认,它也与BICEP2研究的引力波属于不同的类型,会为人类理解宇宙带来不一样的线索。

    LIGO搜寻的是来自宇宙中的剧烈天体事件的强引力波,比如黑洞和中子星等致密天体之间在碰撞过程中产生的引力波。“这种事件中涉及到的天体的质量密度都非常大,因此附近的引力场非常强,一旦发生碰撞,引力场中的能量就会以引力波的形式向外辐射。”Lawrence Krauss说。 Krauss是亚利桑那州立大学(Arizona State University)的物理学家,虽然没有参与到LIGO实验项目中,但还是在推特上表达了自己对于引力波新迹象的兴奋之情。

    引力波是爱因斯坦的广义相对论理论的一个预言。广义相对论认为,引力源于时空弯曲——有质量的物体会造成其附近时空结构的弯曲,从而使其他物体在弯曲时空中沿曲线运动。Krauss说:“当我挥动手臂的时候,我就在改变自己周围空间的‘形状’,相当于在时空中激起了一些波动,只不过这种波动太微弱,我们无法感知。”LIGO使用位于路易斯安那州和华盛顿州的探测器,测量光在两个互相垂直的方向上传播所需的时间的差别,从而探测是否有引力波穿过了实验装置。两条互相垂直的路径原本是等长的,但是当引力波抵达时,它会使某个方向上的空间长度发生变化,进而导致光在两个垂直光路上传播的时间有一个微小的差别。Krauss解释说:“要想探测到引力波,LIGO必须能够测量出不到质子直径的百分之一的空间尺度变化,这简直不可思议!”

    LIGO所寻找的引力波源于现今的宇宙中频繁发生的天体事件,而BICEP2则是试图发现早期宇宙中原初引力波的蛛丝马迹。BICEP2位于南极,主要研究的是宇宙大爆炸之后大约38万年时所产生的宇宙微波背景辐射。BICEP2并不是直接探测引力波,而是通过研究原初引力波可能对微波背景辐射造成的影响来间接探测引力波。根据暴胀理论(inflation theory),宇宙诞生之后经历过一个剧烈膨胀的阶段,在这个过程中可能产生了引力波。时空中的随机量子涨落在宇宙暴胀的过程中也被一同拉伸,如此产生的引力波会导致微波背景辐射中的光子包含一种特殊的偏振模式。2015年4月,BICEP2团队宣布他们发现了这种偏振模式,激起了人们的广泛讨论。但是,后续研究则表明他们发现的偏振极有可能是银河系中星际尘埃造成的干扰。

    BICEP2以及其他一些类似的实验项目目前仍在搜寻原初引力波的信息,但它们对于LIGO所探测的晚近时期产生的引力波无能为力,因为这种引力波无法影响宇宙微波背景辐射。另一方面,LIGO也不太可能探测到原初引力波。据路易斯安那州立大学的天体物理学家、LIGO合作组发言人Gabriela González解释,原初引力波在LIGO的主要工作波段的强度很弱,会被埋没在探测器的微弱的背景噪声中,因此很难探测到。(另外,不管是原初引力波,还是现代引力波,它们都与“重力波(gravity waves)”是不同的概念。后者是流体动力学中的术语,指不同密度介质交界面上的波动,比如海面波即是海水与空气交界面上的重力波。)

    不论是原初引力波还是现代引力波,一旦被发现,都将成为一项重大的科学突破。当然,它们的重要性体现在不同的方面。Marc Kamionkowski是约翰•霍普金斯大学(Johns Hopkins University)的天体物理学家,曾在1997年提出了寻找原初引力波的方法。他指出,原初引力波包含着关于早期宇宙的信息,能够用来检验暴胀理论,并揭示宇宙最初的演化过程。另一方面,如果LIGO成功地发现了现代宇宙中产生的引力波,那么就能帮助科学家了解中子星、黑洞这样的极端致密天体的引力作用机制。从探测方法上讲,BICEP2是通过宇宙微波背景辐射的来间接探测引力波,LIGO则是人类首次直接检测引力波对时空结构的影响。Kamionkowski说:“我非常期待这次的观测结果。距离爱因斯坦提出广义相对论已经过去了100年零两个月,如果能够在这个时候确认引力波的存在,那对于广义相对论来讲绝对意义非凡。”(撰文:Clara Moskowitz 翻译:赵昌昊 校审:檀泽浩)

    原文链接:https://www.scientificamerican.com/article/not-all-gravitational-waves-are-created-equal/?WT.mc_id=SA_SPC_20160114

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