科學(xué)助力 神器也神奇

在過去近10年的時(shí)間里，盡管圈子非常小，但一個(gè)全新的天文學(xué)領(lǐng)域正逐漸出現(xiàn)，那就是引力波天文學(xué)。和傳統(tǒng)天文學(xué)使用天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)宇宙進(jìn)行觀測(cè)不同，引力波探測(cè)器使用的是激光和反射器，研究人員會(huì)讓激光在兩塊呈直角方位的反射鏡之間反射，并觀察兩束光波疊加時(shí)所呈現(xiàn)的干涉條紋特征。這正是位于美國的“激光干涉引力波天文臺(tái)”（LIGO）所采用的做法。在2002—2010年運(yùn)行時(shí)期，LIGO設(shè)施驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)概念的可行性，隨后經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)5年的關(guān)閉升級(jí)。直到2015年9月份，升級(jí)后的設(shè)施重新啟用并被稱作“先進(jìn)LIGO”。

兩條長(zhǎng)臂的魔力

“先進(jìn)LIGO”是有史以來人類建造的最先進(jìn)的引力波觀測(cè)設(shè)施。該項(xiàng)目有超過1 000名頂尖科學(xué)家參與其中，因而也使其成為規(guī)模最為龐大的引力波搜尋國際合作研究項(xiàng)目。從本質(zhì)上而言，“先進(jìn)LIGO”系統(tǒng)采用的探測(cè)手法是相當(dāng)簡(jiǎn)單而直接的，它利用了引力波輻射的本性和它最重要的性質(zhì)之一。引力波會(huì)造成空間的拉伸或壓縮，其頻率和強(qiáng)度取決于形成這種引力波的天文事件所具有的一系列特征，如2個(gè)相互繞轉(zhuǎn)天體各自的質(zhì)量大小、它們兩者之間的間距以及這一系統(tǒng)距離地球的遠(yuǎn)近?！跋冗M(jìn)LIGO”設(shè)施包括2條互相垂直的長(zhǎng)臂，長(zhǎng)度均為4 000米。將一束激光用分光鏡分成夾角為90°的2束，然后2束激光分別被4 000米外的反射鏡反射回來并發(fā)生干涉，并且這樣的反射可以來回進(jìn)行多次，從而大大增加激光運(yùn)行的路徑長(zhǎng)度。由于頻率和波長(zhǎng)完全一致，在正常情況下，這兩束激光應(yīng)該是完全相同的，但是如果存在引力波作用，則會(huì)對(duì)這兩束激光的波長(zhǎng)頻率產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致兩束激光在疊加的干涉條紋上出現(xiàn)改變。這樣的改變能夠讓科學(xué)家們判斷兩個(gè)繞轉(zhuǎn)天體各自的質(zhì)量大小、它們之間的間距以及這一系統(tǒng)與地球之間的距離等豐富的信息。

“先進(jìn)LIGO”包括兩處設(shè)施，分別位于美國西北部（華盛頓州）以及美國東南部（路易斯安那州）。如果這兩處設(shè)施均觀測(cè)到同樣的信號(hào)，那么我們就能夠肯定我們的確觀測(cè)到了引力波信號(hào)。當(dāng)前版本的LIGO系統(tǒng)對(duì)于質(zhì)量在一倍太陽質(zhì)量到數(shù)百倍太陽之間的2個(gè)黑洞合并過程可能產(chǎn)生的引力波信號(hào)最為敏感，且其探測(cè)能力可以覆蓋距離地球數(shù)百萬光年之外——在這樣一個(gè)巨大的空間范圍內(nèi)，符合條件的黑洞合并事件每年至少會(huì)發(fā)生幾次。

“新”字當(dāng)頭 意義非凡

引力波信號(hào)的成功探測(cè)，使人們共同見證了一個(gè)全新天文學(xué)時(shí)代的開端。這一消息所承載的意義將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其本身——這是對(duì)愛因斯坦廣義相對(duì)論的全新檢驗(yàn)，也是人類歷史上對(duì)引力輻射首次成功的直接探測(cè)。這將是一個(gè)全新的天文學(xué)領(lǐng)域，一個(gè)不需要望遠(yuǎn)鏡的新的天文學(xué)領(lǐng)域，它將引領(lǐng)我們打開理解黑洞、中子星和其他難以采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行觀測(cè)的天體類型的全新視野。