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曹軍威:宇宙天籟——引力波(7)

摘要:引力波的直接探測,震驚全球,無疑是本世紀迄今為止,在天文學(xué)領(lǐng)域最具里程碑意義的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一,就像望遠鏡的發(fā)明或太空無線電波的發(fā)現(xiàn)一樣。發(fā)現(xiàn)引力波的意義,不僅是驗證廣義相對論,更對天文探測起著無比重要的作用。比如,之前,幾乎沒有人會相信第一個探測到的引力波信號會是雙黑洞并合,而且是質(zhì)量如此之大的黑洞雙星。通過這一次觀測,科學(xué)家知道了數(shù)十倍太陽質(zhì)量的黑洞是可以存在的。這一切,都無法通過傳統(tǒng)的電磁波天文學(xué)得到,因此,引力波天文學(xué)將成為21世紀的天文學(xué)。

現(xiàn)在講之前探測到那個信號,為什么一定是引力波信號?信號到達的時間是2015年9月14號早晨5點51分。我們的數(shù)據(jù)分析程序流水線在9月14號5點54分,也就是3分鐘以后就看到了。我們這個流水線的名字叫CWB,它是一個非常簡單的程序流水線,如果突然有一個能量的變化,那它會檢測到。兩個天文臺,如果同時有能量的變化,就會把這個信號提取出來,告訴大家這個信號有可能是引力波信號。

我們的在線數(shù)據(jù)分析流水線,在三分鐘以后就發(fā)出了這樣的一個信號。經(jīng)過進一步分析后,我們得到了幾張圖,具體的意思我不給大家講了,它是一個曲線。

這個數(shù)據(jù)它遠離背景,遠離背景到什么程度呢?它的信噪比達到了20以上,同時我們把它轉(zhuǎn)換成天文學(xué)上的一個標準的顯示值,叫5.1個∑。在這樣的一個區(qū)域里面,如果它想偽裝成這樣的信號,它的概率是20萬年有一次。從這個角度我們認為,它不是一個噪聲,它是一個引力波信號。

雙黑洞并合我們沒有其他的手段來觀測到,所以我們只能用計算機仿真的方式來重構(gòu)這樣過程。比如,一個36太陽質(zhì)量,一個29太陽質(zhì)量,我們仿真它們兩個。我們認為雙黑洞并合的過程有三個階段,是頻率從25赫茲急遽上升為250赫茲,然后又減弱的一個過程,它不是簡單的曲線信號,而是有一定特征的信號。這樣的信號,我們跟雙黑洞并合的仿真過程做了一個比對,擬合得非常完美。這也給了我們信心。

好,我們概括一下這次發(fā)現(xiàn)的意義。分兩個部分,第一部分從物理的角度證實了愛因斯坦廣義相對論的一個重要預(yù)言,進一步證實了愛因斯坦廣義相對論的正確性。第二方面的意義在于天文學(xué)方面,為什么叫開啟了引力波天文學(xué)的新時段?因為它打開了一扇前所未有探測宇宙的新窗口,我們原來是看不到黑洞的,但現(xiàn)在我們能拿到它的波形,以一種定量的方式來看。

未來的趨勢,全世界會有很多的引力波天文臺,會組成一個全球網(wǎng)絡(luò),現(xiàn)在已經(jīng)運行的,包括美國的兩個天文臺,還包括英國和德國的,我們叫GEO600,但是由于它的臂長只有600米,所以它達不到探測的精度。但是很多LIGO科學(xué)合作組織的技術(shù)都是從GEO這樣的天文臺衍生出來的。其他在建的天文臺,包括意法合建的VIRGO天文臺,它的臂長有3公里,也是有很高的探測精度,但是它還沒有建設(shè)完成。日本也在建設(shè)一個天文臺,日本的天文臺的特點是在地下,地下的好處剛才也講了,可以把地震波的地表波動屏蔽掉,它可以探測到十赫茲以下的引力波信號,同時日本這個天文臺還將嘗試低溫情況下的測試。再比如,印度也在計劃建設(shè)自己的天文臺。包括中國現(xiàn)在也在討論建設(shè)自己主導(dǎo)的天文臺,所以未來會構(gòu)成一個全球的網(wǎng)絡(luò),如果有多個天文臺同時探測到引力波信號,我們就可以有更精準的引力波源的定位。

責(zé)任編輯:李天翼校對:葉其英最后修改:
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