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LIGO引力波到底是真的假的?

癌图腾  · 公众号  · 医学  · 2017-10-22 11:30

正文



今天闲话不多说,莫愁先给大家看个访谈记录。

访谈记录

在前一篇专访文章里,莫愁采访了本次诺贝尔医学或生理学奖得主之一Michael Rosbash的弟子——中科院上海药物研究所研究员俞强教授,还有部分采访内容未完整发表。近期,莫愁采访到了LIGO团队的成员Martin,并顺便在10月17日采访了一位非LIGO团队的业内人士Jack  Zhou(本科毕业于北大物理系,目前从事深技术孵化)。

以下内容由古墓派小编整理,如有错误,与被采访人无关。


李莫愁


1、对于引力波事件,你一开始持的是什么看法?

Jack  Zhou

我做事有点较真。所以去年还发微信质疑第一例引力波事件。直到今年诺贝尔奖公布,我也没有删除此微信。原因是之前的3 到4例引力波事件,在我心目中都不是物理。我记得读博士的时候,在伊萨克离上帝最近的地方,一位老教授问大家什么是物理,他的定义是物理要做可以测量的预测,否则都不算数。我深切同意。 如果只是预测了波形,根据 LIGO的数据拼凑出一个解,我觉得不够科学。(我曾经跟一个以色列博士后每天祈祷两个探测方式的信号可以吻合。后面都快神经质了。有一天看到了,他欢欣鼓舞,要发 Science. 但后面被我较真的证明是错的,把文章截住。我一直为此自豪)。16年我有些见到参与 LIGO的加州理工的兄弟,赶紧问,如果这是真的,会多频繁看到引力波。答案是(根据黑洞的分布)一个月一次。后面观测到的频率不及此预期,我一直存疑。当然后面才知道, LIGO也得检修。造成了观测的不连续性。


李莫愁


2、今年的诺贝尔物理奖以及昨天的中子星引力波事情之后,你的看法有所改变吗

Jack  Zhou

今天晚上抽时间把昨天的中子星引力波事件的文章看完,彻底被折服了。这基本上是我有生之年看到的最漂亮的工作。简单讲,根据引力波数据(3个观测数据,图一)推测出事件在天空的角度和距离(图二),调动光学望远镜观测此区域,找到了从未发现过的中子星合并事件(图三)。充分说明玉皇大帝为什么需要同时雇佣千里眼和顺风耳(千里眼虽然好,但是有方向性,很难照顾到四面八方。顺风耳虽然得到的信息有限,但四面八方的信息都可以接收可以定位,引导光学检测)。我相信引力波会不断的给天文宇宙学带来新发现。

图一

图二

图三

希望加入古墓派科普团队,参与古墓派系列科学采访的(包括参与采访,整理采访内容)请加莫愁微信号13750766911,并注明“Interview”)。

李莫愁


3、在引力波事件上,还有哪些地方让你觉得amazing?

Jack  Zhou

还让我折服的是天文界的跨国合作,在很短的时间(因为信号很快就会消失),调动了很多国家的资源观测。(有一篇文章的作者涵盖了 35%的天文学界专家)。如果人类在其他领域能够如此合作,我们就不怕外星人了。看看我引导的一些合作,差距太大了,人的心非常不齐。


李莫愁


4、你有什么感想或总结

Jack  Zhou

我记得上大爆炸宇宙学的时候,俞老师讲,我们对世界上最大的疑问(宇宙),要用最小的东西(基本粒子)来解释。同时,我要说的是,人类现存最大的问题(我们在宇宙中独特吗?我们为什么存在?)要用生命的最基础的层面来回答,那就是Love。 Love 是这个世界上最独特最重要的东西( 北大赵老师带领我们算外星人的几率,最难定界定的,就是文明可以存活多久。没有 Love,这个世界就垮了)。如果我们能够研究和推广Love, 这个世界上的很多问题都可以解决。It's all about love.

如果对引力波方面的内容感兴趣,希望参与讨论交流,请告诉莫愁,加微信13575329911,并注明“YLB”。                      



李莫愁说

今年这个10月不一般,天文圈暗流汹涌,重磅炸弹齐发。莫愁在前面的文章里讲了2017诺贝尔物理学奖情定引力波,被3个很帅的老头Rainer Weiss、Kip  Thorne和Barry Barish拿了。没过多少天,天文学家们又出来搞事情了,他们在10月16日向广大吃瓜群众宣布:我们这次真的“看到”引力波啦!说的这么含蓄,莫愁给大家简单说明一下,以前的几次,都是双黑洞并合,并合完,还是黑的,啥也看不着。这次是双中子星并合,并合完,火光冲天,宇宙里的文明都看到了。
力波拿炸药奖,基本上是科学江湖众望所归的事情。自爱因斯坦在100多年前预言引力波存在之后,2015年9月14日,LIGO探测器让人类首次检测到了引力波信号。莫愁再科普一下:LIGO的全称是“激光干涉引力波天文台”,这是一个由来自20多个国家的上千名科学家们共同参与的大型合作项目。莫愁猜想,此次引力波被证实后,LIGO的下一个目标也许是去勾搭外星人。
引力波方面研究感兴趣,想参与讨论交流的请加13575329911,并注明“YLB”。

我们再来看看莫愁与LIGO团队成员Martin的部分访谈记录

访谈记录

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以下内容由古墓派小编整理,如有错误,与被采访人无关。

李莫愁


1、有一部分人在之前,似乎对于引力波探测并不看好,您觉得它的重要意义有哪些?

Martin

引力波是时空中的涟漪,像宇宙里面有一些很激烈的事情发生,就会产生引力波,我们之前探测到的就是黑洞碰撞时产生的引力波,也完成了对爱因斯坦广义相对论关键预测的最后验证。其实我们领域内几乎所有的天文学家和物理学家都是完完全全相信:引力波确实是存在的,只是它存在着,但我们人类还没有探测到。

我觉得这个发现创造了一个更好的机会,让我们对广义相对论有了一个更为完整的认识。(莫愁:引力波为我们打开了除电磁辐射、粒子之外的一个全新窗口,让我们感受到了时空本身的颤动


李莫愁


2、这次三位前辈获得了诺奖,但大家都知道背后还有非常多的科学家,可以简单讲一下大概有多少人参与了,大家都做了哪些方面的工作吗?

Martin

我记得我们那时候发表的第一次探测到引力波的论文,有大概1000个人都是作者。LIGO有几十个工作小组,每个组有一个组长。分工也非常地细:有设计的,负责建造的,还有调试的,还有一部分人需要负责分析数据。事实上单单调试就有很多人参与,因为调试的实验装置就有很多种。每个人都在自己的位置上做出了贡献,我觉得每个人都很棒!


李莫愁


3、当时在探测引力波过程中,遇到了哪些困难?

Martin

引力波对物体的效应是十分微弱的,而且在宇宙传播过程中,会变得越来越弱,这就是一个难题。只有非常致密的星体用接近光的速度加速运动时,才会产生在地球上我们能够探测得到的强大的引力波。我们通过用LIGO(The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ,激光干涉引力波天文台)干涉仪和其他类似的装置来进行探测。我们当时探测到的引力波,振幅10-21 ,说明了在LIGO中距离4公里的镜子,它的相对距离只是变化了10-18 米左右,是原子核尺度的一千分之一,这是当时精密测量科学的最前沿。


如果对引力波方面的内容感兴趣,希望参与讨论交流,请告诉莫愁,加微信13575329911,并注明“YLB”。                      



莫愁给大家梳理一下关于引力波相关的事件

  • 从爱因斯坦和希尔伯特正式提出广义相对论,到LIGO正式探测到引力波,我们人类用了100年。


  • 而从LIGO公布第一个引力波信号,到观测到引力波的电磁对应体,人类只用了一年半。莫愁注:这次的发现在2015年9月,第一次证实了爱因斯坦相对论的正确性


  • 第二次引力波信号是在2015年12月26日,信号源来自14.2倍和7.5倍太阳质量的两个黑洞合并,信号名为GW151226。


  • 第三次是在今年的1月4日,来自31.2倍和19.4倍太阳质量的黑洞合并,信号名为GW170104。


  • 第四次是在今年的8月14日,来自30.5倍、25.3倍太阳质量的黑洞合并,信号名为GW170814。


  • 第五次引力波信号,约1.3亿光年外,科学家们首次探测到双中子星并合产生的引力波和其光学对应体!(莫愁注:这是人类首次探测到由中子星合并产生的引力波信号,之前的4次引力波信号都是来自于黑洞合并。

莫愁评论

这次引力波的发现事件,莫愁以两辆车在远处相撞举例,之前几次都是只闻其声(引力波)光学上看不到任何东西,就像有个人告诉你听到有两辆车撞了,反正你也看不到,信不信你看着办吧。这一次不一样了,除了相撞的声音,还爆炸了,个个都可以看得到,就像有个人告诉你撞车了,还爆炸了之后人人都拿着望远镜往那边看,如果真的看到爆炸的火光,证明之前这个人说听到的声音都是真实的。

古墓派某侠客的另外一个总结,莫愁也觉得挺好玩的:

你很孤独地在一个山头(太阳系),想了解外面的世界(宇宙)。然后用望远镜看到其他山头(其他星系)有很多帅哥(天体)。你可以看清楚他们的样子(传统电磁波观测法),而且有的帅哥们还会跟你挥挥手说说话(星体合并或超新星爆发等宇宙事件)。

但是你看得见却听不见。你想听到帅哥的声音,你觉得很重要,因为可以了解每个帅哥更多的信息,于是你发明了千里耳(LIGO和VIGO探测器)。终于,通过千里耳你听到了来自帅哥的“你好靓”、“我喜欢你”等几次声音(发现引力波),虽然你欣喜若狂,但又发现,发出声音的好像都是来自其他山头的蒙面大汉(黑洞),看不见样子啊。

终于,这一次你在用望远镜看到一个眉清目秀的帅哥给你挥手的同时又用千里耳听到了他磁性的声音说“美女看这边”!这就是这次事件和成果。你瞬间觉得世界真美妙(引力波探测的意义)。


 古墓慢讯——新的引力波!双中子星合并

北京时间2017年10月16日22点,多国科学家联合宣布发现“双中子星引力波事件及电磁对应体”,中国科学家和天文设备参与其中。

图为由美国国家科学基金会、美国“激光干涉引力波天文台”、索诺玛州立大学和A.Simonnet提供显示两个并合中的中子星效果图。


2017年8月17日,LIGO和Virgo(欧洲“室女座”引力波探测器)共同探测到的不同以往的新型引力波事件GW 170817,是人类首次直接探测到由两颗中子星并合产生的引力波。随后的几秒之内,美国宇航局Fermi伽马射线卫星和欧洲INTEGRAL卫星都探测到了一个极弱的短时标伽马暴GRB 170817A。全球有几十台天文设备对GW 170817开展了后随观测,确定这次引力波事件发生在距离地球1.3亿光年之外的编号为NGC 4993的星系中。

我国第一颗空间X射线天文卫星——慧眼HXMT望远镜——在引力波事件发生时成功监测了引力波源所在的天区,对其伽马射线电磁对应体(简称引力波闪)在高能区(MeV,百万电子伏特)的辐射性质给出了严格的限制,为全面理解该引力波事件和引力波闪的物理机制做出了重要贡献,相关探测结果发表在报告此次历史性发现的研究论文中。

图1:AST3-2在8月18日观测窗口期内引力波光学信号(红色方框内)。


同时,自北京时间2017年8月18日21:10起(即距离此次引力波事件发生24小时后),中国南极巡天望远镜AST3合作团队利用正在中国南极昆仑站运行的第2台望远镜AST3-2对GW 170817开展了有效的观测,此次观测持续到8月28日,期间获得了大量的重要数据,并探测到此次引力波事件的光学信号(图1)。

本次发现的引力波事件跟以往发现的双黑洞并合不同,它由两颗中子星并合产生。此前科学家理论预言双中子星并合不仅能产生引力波,而且能产生电磁波,即引力波电磁对应体,因此本次探测到引力波以及电磁对应体是天文学家期待已久的重大发现。

这是人类第一次同时探测到引力波及其电磁对应体,是引力波天文学的极为重要的里程碑,在天文学以及物理学发展史上具有划时代的意义,正式开启了多信使引力波天文学时代。

中国科学家获得的这些数据和全球其他天文台的观测结果一起揭示了此次双中子星并合抛射出1 %量级太阳质量(超过3000 个地球质量)的物质,这些物质以0.3倍的光速被抛到星际空间,抛射过程中部分物质发生核合成,形成比铁还重的元素。因此,这次引力波光学对应体的发现,证实了双中子星并合事件是宇宙中大部分超元素(金、银)的起源。

虽然此前人们普遍预计像本次事件这样近距离(40 Mpc,约1.3亿光年)的双中子星并合产生的引力波闪将非常明亮,但慧眼(以及其它伽马射线望远镜)在MeV能区没有探测到高能辐射,表明本次引力波闪非常暗弱且能谱较软,跟理论预言相差甚远,具有非常特殊的辐射性质。慧眼望远镜凭借强大的探测性能,对该引力波闪在MeV能区的辐射性质给出了严格的上限约束(如下图)

图:慧眼望远镜的探测结果。对本次引力波事件产生的高能电磁对应体,即编号为GRB170817A的伽马暴,及其先兆和延展辐射在MeV能区的辐射性质给出了严格的上限约束。


鉴于慧眼观测限制的重要性,慧眼望远镜不仅以合作组形式加入了报告本次历史性发现的论文(即发现论文),而且在论文的正文部分报告了观测结果。该发现论文是关于该引力波事件的同时发表的一系列论文中最核心的领头论文,已于10月16日正式发表。

除了参与上述历史性的发现论文,慧眼望远镜的详细分析结果以独立论文的形式已于10月16日同步发表在《中国科学:物理学力学天文学》杂志英文版的网页版。

引力波是1916年爱因斯坦建立广义相对论后的预言。极端天体物理过程中引力场急剧变化,产生时空扰动并向外传播,人们形象地称之为“时空涟漪”。自从2015年9月14日LIGO首先发现双黑洞并合产生的引力波事件(编号GW150914)以来,已经探测到4例引力波事件,包括前不久LIGO和Virgo联合探测的GW170814。

引力波的直接探测刚刚获得了2017年度诺贝尔物理学奖。探测引力波电磁对应体对研究引力波事件、宇宙学以及基础物理具有不可替代的决定性作用,因此,人们普遍认为这次同时发现GW170817及其电磁辐射是引力波研究的一个新的里程碑。

图2:慧眼望远镜示意图

图3:双中子星并合过程既能产生引力波,又能产生电磁波


慧眼望远镜由国家国防科技工业局和中国科学院联合资助建造,于2017年6月15日从酒泉卫星发射中心发射升空,开始为期5个月的试运行。中科院高能物理研究所(粒子天体物理重点实验室)负责望远镜观测运行以及数据处理。参与本次引力波事件观测时,慧眼望远镜刚刚试运行2个月。

图4:第二台南极巡天望远镜AST3-2


AST3-2是我国在昆仑站安装的第二台南极巡天望远镜(图4)。其有效通光口径50厘米,是南极现有最大的光学望远镜,并且完全实现了极端环境下的无人值守全自动观测。目前,AST3-2主要进行超新星巡天、系外行星搜寻、引力波光学对应体探测等天文前沿研究。

最后,我们利用一个视频,直观地回顾一下这次意义重大的发现。





(来源:科学文摘 2017-10-21)


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