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劃時代新發(fā)現(xiàn)!愛因斯坦相對論再被驗證,國際科學(xué)家團(tuán)隊首次觀測到“引力波背景”證據(jù),或揭示宇宙最早期歷史

每日經(jīng)濟(jì)新聞 2023-07-04 12:25:19

◎這一發(fā)現(xiàn)意味著天體物理學(xué)家可能已經(jīng)為了解超大質(zhì)量黑洞打開了一個全新窗口,將把人類帶入一個全新的引力波天文學(xué)時代。

每經(jīng)記者 蔡鼎    每經(jīng)編輯 高涵    

2017年的諾貝爾物理學(xué)獎授予了101年前的一個預(yù)測——1916年,艾爾伯特·愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論徹底改變了科學(xué)家們對恒星和星系尺度下的物理學(xué)理解。愛因斯坦當(dāng)時預(yù)言,在某些情況下,宇宙本身的結(jié)構(gòu)會抖動和擺動,這也是人類歷史上首次出現(xiàn)“引力波”的概念。

近日,一個國際科學(xué)家團(tuán)隊的新發(fā)現(xiàn),不僅證實引力波確實存在,驗證了愛因斯坦在1916年做出的預(yù)測,還首次觀測到“引力波背景”證據(jù),為研究人員提供了研究黑洞和中子星等奇妙宇宙現(xiàn)象的新途徑。

當(dāng)?shù)貢r間6月29日,發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報》上的一系列新論文中,科學(xué)家報告了他們的成果。來自中國、美國、澳大利亞和歐洲的研究人員稱,他們探測到了一種難以捉摸的宇宙“嗡嗡聲”跡象,這些“嗡嗡聲”可能由宇宙中最大的黑洞產(chǎn)生。

這一發(fā)現(xiàn)意味著天體物理學(xué)家可能已經(jīng)為了解超大質(zhì)量黑洞打開了一個全新窗口,將把人類帶入一個全新的引力波天文學(xué)時代。《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》文章稱,這項新發(fā)現(xiàn)甚至還可能揭示一些關(guān)于宇宙最早期歷史的故事。

引力波或來自一對超大質(zhì)量黑洞,每個的質(zhì)量是太陽的數(shù)百萬倍

“引力波背景”輻射是由許多不同的引力波源疊加而成的,它們的頻率和強(qiáng)度都不相同,但都很低,它們應(yīng)該存在于我們周圍,并可能會告訴我們它恒久隱藏著的重要信息。但遺憾的是,關(guān)于其存在和組成,一直只是理論化的產(chǎn)物,直到上述國際科技團(tuán)隊公布新發(fā)現(xiàn)。

據(jù)悉,科學(xué)家們此次探測到的引力波背景最可能的來源是陷入“死亡螺旋”的一對超大質(zhì)量黑洞。這些黑洞龐大到能達(dá)到數(shù)十億個太陽質(zhì)量。由于幾乎所有星系,包括銀河系中心都盤踞著這樣一個黑洞怪物,因此當(dāng)兩個星系碰撞和合并時,它們的超大質(zhì)量黑洞會相遇并開始相互繞轉(zhuǎn)。一旦兩個黑洞足夠接近,就有可能被脈沖星計時陣列觀測到。

范德比爾特大學(xué)的天體物理學(xué)家、北美納米赫茲引力波觀測站(下稱NANOGrav)的研究小組主席Stephen Taylor表示,“過去15年里,我們一直在執(zhí)行一項任務(wù),即找到響徹整個宇宙的引力波。我們非常高興地宣布,我們的工作終于得到了回報。”

15年來,NANOGrav的天文學(xué)家們對銀河系中數(shù)十個毫秒脈沖星的無線電波進(jìn)行了密切計時,此次的新發(fā)現(xiàn)就來自對67顆脈沖星陣列進(jìn)行詳細(xì)分析的結(jié)果。NANOGrav的研究人員已經(jīng)在仔細(xì)研究一個數(shù)據(jù)集,其中包括了該團(tuán)隊過去15年來的觀測結(jié)果。

一對超大質(zhì)量黑洞(左上)發(fā)射出引力波(藝術(shù)想象圖)。圖片來源:NANOGrav

西弗吉尼亞大學(xué)nanogravity天體物理學(xué)家Maura McLaughlin表示,“我們預(yù)計,在這個長達(dá)15年的數(shù)據(jù)集中看到的引力波證據(jù)會更加強(qiáng)大。”她還補(bǔ)充稱,這項工作應(yīng)該會在未來1~2年內(nèi)完成,并將為這個數(shù)據(jù)集增加更多的脈沖星信息。

McLaughlin還稱,除了為引力波背景信號提供更有力的證據(jù)外,該數(shù)據(jù)集甚至可能讓研究人員鎖定一個特定來源的位置,比如一對附近的超大質(zhì)量黑洞。

《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者注意到,NANOGrav團(tuán)隊并不是唯一一個報告引力波背景的團(tuán)隊。中國、歐洲、印度和澳大利亞團(tuán)隊發(fā)表的多篇論文報告稱,他們的數(shù)據(jù)中存在相同的引力波背景信號。通過國際脈沖星計時陣列聯(lián)盟,各個小組也正在匯集他們的數(shù)據(jù),以更好地表征信號并識別其來源。

意大利米蘭比可卡大學(xué)研究人員Alberto Sesan博士表示,這些新探測到的引力波最可能的來源是一對超大質(zhì)量黑洞,其中每個黑洞的質(zhì)量都是太陽的數(shù)百萬倍。他們最常出現(xiàn)在星系的中心。在數(shù)十億年的時間里,星系的碰撞預(yù)計會頻繁發(fā)生,并在宇宙中產(chǎn)生一種背景“嗡嗡聲”。Sesan博士指出,“這證明超大質(zhì)量黑洞雙星確實存在于自然界中。”

《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》文章中稱,該引力波的來源還有另一種可能,雖然可能性要小得多,但也十分令人興奮,即最新探測到的引力波可能是人類對宇宙早期歷史的最深刻一瞥,當(dāng)時宇宙的體積在短時間內(nèi)迅速增加,并造成這種“嗡嗡聲”

“宇宙燈塔”脈沖星探測超低頻率引力波

其實,這并不是人類首次觀測到宇宙中的引力波——2015年,引力波就首次被人類直接觀測到。當(dāng)時天文學(xué)家們用位于美國西北部華盛頓州和東南部路易斯安那州的天文臺,探測到一對黑洞碰撞產(chǎn)生的波,每個黑洞的質(zhì)量約為太陽的30倍。這在宇宙中產(chǎn)生了頻率約為150Hz的波,波長約為2000公里。

8年前的這一探測,標(biāo)志著引力波天文學(xué)時代的正式開始。這種科學(xué)利用重力來研究宇宙,就像傳統(tǒng)天文學(xué)利用電磁輻射一樣,從可見光到無線電波和伽馬射線。

圖片來源:WSWS報道截圖

據(jù)悉,大多數(shù)的引力波探測器都是干涉儀,它的工作原理是將一束光分成兩半,然后將每一半的光送入一對垂直的長臂中。在長臂的末端,光脈沖被反射回源頭,并在源頭將光束重新組合起來。如果這個過程沒有中斷,那么返回的光束在重新組合時將相互抵消。

在天文探測界,對引力波的尋找往往需要大型的儀器。美國LIGO探測儀的臂長達(dá)4公里,歐洲儀器Virgo的臂長則為3公里。如果探測的引力波頻率越低,所需要的探測儀器的臂長就要更長。例如,如果需要探測頻率在1Hz左右的引力波,就需要比地球本身更大的探測器。這也就是歐洲航天局正在建造一艘名為LISA的航天器的原因,該航天器預(yù)計將于本世紀(jì)30年代末準(zhǔn)備就緒,它將使用一個太空極光和鏡面系統(tǒng)來制造250萬公里長的臂長。

然而,最新的研究結(jié)果涉及的引力波頻率是在納赫茲范圍內(nèi)的波。為了探測到這些超低頻率引力波,天文學(xué)家必須依靠大自然產(chǎn)生的光脈沖,特別是“宇宙燈塔”脈沖星。脈沖星是一種高速旋轉(zhuǎn)、高度穩(wěn)定、強(qiáng)烈輻射電磁波的星體。脈沖到達(dá)地球的規(guī)律就像節(jié)拍器一樣精確,當(dāng)引力波在地球和脈沖星之間通過時,無線電波計時就會立刻被擾亂。脈沖星計時陣列也就成為了當(dāng)前最有希望探測到引力波背景的方法。

不過需要指出的是,雖然研究人員發(fā)現(xiàn)了超低頻率的引力波,但這仍需要很大的耐心,因為多年來各個天文臺的觀測結(jié)果都是慢慢傳輸?shù)摹?strong>最新研究中包含的一些數(shù)據(jù)甚至是25年前收集的。

美國國家科學(xué)基金會主任Sethuraman Panchanathan表示,科學(xué)家們此次“在本質(zhì)上創(chuàng)建了一個全銀河系探測器,揭示了彌漫在宇宙中的引力波”。

封面圖片來源:視覺中國

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