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引力波为何迟到?|时空涟漪掠过地球|引力波能听见宇宙吗?

2015年9月14日清晨,美国路易斯安那州和华盛顿州的两台巨型激光干涉仪,几乎同时记录到一次短促抖动。它只持续了约0.2秒,却来自约13亿光年外:两个黑洞并合,把时空的震颤传到了地球。传到我们这里时,空间被拉伸和压缩的幅度,小到不到质子直径的千分之一。你可能会问:宇宙里发生这么大的事,为什么传到地球只剩这么一点?

时空也会“抖”

一句话定义:引力波是时空曲率的扰动,以光速向外传播。别把它想成“宇宙的声音”,它更像你拍一下果冻,整块果冻的抖动向外传开。这里的“果冻”是时空本身;“抖动”经过时,你和尺子之间的距离会被极轻微地拉长、压短。

13亿年前的那声“啾”

LIGO在2015年9月14日探测到的信号编号GW150914,是两个黑洞并合。观测给出:两个黑洞质量约为36倍和29倍太阳质量,并合后约62倍太阳质量,约3倍太阳质量的能量以时空涟漪形式释放。这个数字不好感知,换个说法:如果你把太阳整个变成能量,按质能方程算,那也只是1个太阳质量;这次并合在不到1秒里“花掉”了约3个太阳质量的能量。信号频率在约0.2秒内从约35赫兹升到250赫兹,听起来像一声短促的“啾”。人耳能听到20赫兹以上的声音,所以这声“啾”落在可听范围的起点附近。

用4公里量质子千分之一

难就难在振幅。LIGO的干涉臂长约4公里,激光在真空管里来回跑。它经过时,两条臂的长度变化不同,干涉条纹随之移动。首次探测的时空应变约10的负21次方,换算到4公里臂长,长度变化约10的负18次方米。这个尺度比原子核还小很多,约在质子直径的千分之一量级。为了挡住地面震动、温度变化和空气扰动,镜子要悬挂在多层减震系统上,真空管里接近真空。即便这样,单台探测器也不够,需要两地甚至多台设备同时确认。

不止一种“信使”

2017年8月17日,LIGO和Virgo探测到双中子星并合GW170817。这一次,全球多台望远镜在随后几天里看到了电磁波对应体:伽马射线、光学、射电信号陆续出现。同一场宇宙事件,被引力波和光共同“看见”,多信使天文学从此有了实打实的案例。它验证了双中子星并合可以产生重元素,也为测量宇宙膨胀速率提供了新途径。注意措辞:这是观测证实的事件,不是理论推演。

还没听见的那部分

广义相对论在1916年就预言了这种时空扰动,但直到2015年才被直接探测到。这是“理论预言”到“观测证实”的跨越。更早的宇宙里,暴胀理论推测原初引力波可能存在,它会在宇宙微波背景中留下特定偏振痕迹。这类信号目前尚无定论,属于假说推测与正在检验的方向,不能写成已经发现。地面探测器也在升级,空间探测器计划在更低频段寻找超大质量黑洞并合的信号。

开篇那次持续约0.2秒的抖动,如今还躺在公开数据里。它提醒我们:宇宙里最猛烈的事件,传到地球可能只是一次几乎看不见的拉伸。下一次,当两台干涉仪再次同时亮起,会是谁在时空里敲鼓?

  • 书籍:基普·索恩《黑洞与时间弯曲》,湖南科学技术出版社。
  • 书籍:珍娜·莱文《引力波》,中信出版集团中文版。
  • 机构网站:LIGO官网 ligo.org。
文章标题:引力波为何迟到?|时空涟漪掠过地球|引力波能听见宇宙吗?
文章链接:https://m.nasaeye.com/science/4244.html

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