双黑洞并合放射之重力波的观测OBSERVATION OF GRAVITATIONAL.PDFVIP

雙黑洞併合放射之重力波的觀測 OBSERVATION OF GRAVITATIONAL WAVES FROM A BINARY BLACK HOLE MERGER 發表於一百年前的廣義相對論被物理學家馬克思∙波恩譽為“人類認知自然的最偉大業績”。我們在此 報告兩個有關愛因斯坦理論的關鍵預言的重要科學突破：對重力波的首次直接探測和對雙黑洞碰撞與併 合的首次觀測。 這個被我們命名為GW150914的激變事件，發生於距離地球10億光年之外的一個遙遠星系中。它於2015 年9月14 日被鐳射干涉儀重力波天文臺 （以下簡稱LIGO ）的兩個探測器——很可能是人類有史以來製造 的最靈敏的科學儀器——觀測到。LIGO估算出這個雙黑洞併合最後時刻所輻射的重力波的峰值功率比整 個可觀測宇宙的光度（單位時間釋放的電磁波能量）還高10倍以上。這項非凡的發現開啟了令人振奮的 天文學新時代，打開了一扇觀測宇宙的全新窗口。 背景簡介 重力波是時空的“漣漪”，由例如 緻密星體碰撞併合這樣極其劇烈的 物理過程產生。愛因斯坦於1916年 預言了它的存在。他證明做加速運 動的大質量天體可以劇烈地撼動時 圖1 ‐(取自論文圖1) LIGO漢福德(H1 ，左) 和利文斯頓(L1 ，右) 探測器所觀測 空，並且空間扭曲的波動將從波源 到的GW150914重力波事件。該圖展示了在兩個LIGO探測器中觀測到的由該 輻射出去。這些以光速傳播的漣漪 事件產生的重力波“應變”（見下文）如何隨時間（秒）和頻率（赫茲） 攜帶了天體源激烈動盪的資訊以及 變化。兩個圖均顯示了GW150914的頻率在0.2秒內從35赫茲迅速增加到150 關於引力本質的寶貴線索。 赫茲。GW150914先到達L1 ，隨後到達H1 ，前後相差七千分之一秒——該時 間差與光或者重力波在兩個探測器之間傳播的時間一致。 在過去的幾十年中，天文學家通過觀測銀河系中密近雙星，已經積累了重力波存在的有力證據。雙星軌道由於引力輻 射帶走能量而收縮；觀測結果完全符合愛因斯坦的理論預言。儘管如此，對重力波的直接探測可以為我們提供一個新 的更加嚴格的在極端條件下檢驗廣義相對論的方法，同時開啟一條探索宇宙的全新途徑。因此整個科學界仍然一直熱 切地期待著能在地球上對重力波進行直接探測的機會，就像這次重大突破一樣。 在愛因斯坦預言重力波的同一年，物理學家卡爾∙史瓦西證明愛因斯坦的廣義相對論允許黑洞的存在。它是一個奇異的 天體，非常緻密，以至於光都難以逃脫它的引力束縛。雖然就字面意義來看我們不能直接“看到”黑洞產生的光，天 文學家通過研究黑洞候選體對它周圍的物質產生的效應已經收集了大量間接證據。例如，我們認為宇宙中絕大多數星 系（包括銀河系）的中心都有一個超大質量 （數百萬乃至數十億倍於太陽的質量）黑洞 。同時還有非常多小質量（從 幾個到幾十個太陽質量）的黑洞候選體的證據；它們被認為是恒星劇烈爆炸——核塌縮超新星——的遺留物。 在黑洞的間接觀測研究取得進展的同時，對這些奇異天體的理論理解也 在不斷加深。例如，過去的十年裡，對雙黑洞併合前的最後時刻的軌道 演化的模擬有了十分顯著的進步。這些電腦模型説明我們依據廣義相對 論精確地計算出重力波波形 ，告訴我們重力波的特徵圖樣在兩個黑洞彼 請參閱 此靠近並最終合併為一個更大的黑洞過程中是如何演化的。因此雙黑洞 併合的直接觀測為驗證愛因斯坦的理論提供了一個最好的宇宙實驗平台。 / #GravitationalWaves #BinaryBlackHole #EinsteinWasRight LIGO 探測器 LIGO