低音、中音、高音,探測重力波,如同聆聽一曲宇宙的交響樂

2016-02-20 15:40

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科學家模擬的重力波圖像(PHYSICAL REVIEW LETTERS)

科學家模擬的重力波圖像(PHYSICAL REVIEW LETTERS)

發現重力波成為開年第一大科學新聞,將人類的目光引向浩瀚的太空。科學家說,蓬勃發展的重力波探測裝置,即將呈現給人們的是宇宙美妙的交響樂章。

「如果說400年前當伽利略第一次將親手製作的望遠鏡指向夜空的時候,人類開始用眼睛欣賞宇宙的瑰美,那麼今天,我們學會了聆聽宇宙的第一個音符。」美國麻省理工學院物理系研究員、哈佛史密森天體物理研究中心研究者蘇萌說。

他在接受新華社記者採訪時介紹說,重力波的頻率很寬,就好像交響樂中分低音、中音、中高音和高音。針對不同頻率,科學家採取了不同的探測手段,科學目標也不盡相同。

宇宙樂章的低音

【探測目標】原初重力波

【重力波頻率】最低

【解碼】它的波長跟整個宇宙的尺度差不多大,所以只能通過對宇宙大爆炸後遺留的光子場信號,即宇宙微波背景輻射,來尋找它。

2014年3月,美國哈佛史密森天體物理中心宣稱在南極觀測到了原初重力波,但隨後又發現出錯了。

要從雜亂無章的各種重力波中辨認出帶有宇宙大爆炸初期重力波留下的獨特標記,的確太困難,需要不斷發展靈敏度更高的實驗來找尋。

【探測計劃】南極BICEP2、西藏阿里觀測專案。

宇宙樂章的中音

【探測目標】超大質量黑洞併合時發出的重力波

【重力波頻率】在百萬分之一到億分之一赫茲

【解碼】這種事件往往發生在星系與星系相撞的後期,星系中心數百萬到數億太陽質量的巨大黑洞在最後階段的撞擊併合發出浩瀚的重力波信號,可是人類能建造的探測器太小了,哪怕把整個太陽系都當成探測器都無法測量。於是科學家想出一個絕妙的方法:利用校準後的毫秒脈衝星。這種自然界天然的時鐘精度可以達到原子鐘的級別,若干這樣精確校準的毫秒脈衝星在宇宙中排成校準源的一個龐大陣列,天文學家利用地面上的大型地面射電望遠鏡作為探測器監視著宇宙中可能經過的時空漣漪。

【探測計劃】FAST、SKA等。

宇宙樂章的中高音

【探測目標】質量更小一些、相互距離更近一些的大質量黑洞(幾萬到幾百萬太陽質量)併合過程的後期、中子星碰撞、超新星爆炸、銀河系內的白矮雙星系統等。

【重力波頻率】十萬分之一到一赫茲

【解碼】這類重力波信號探測的手段也是蠻拼的:發射數顆衛星,在太空形成陣列。著名的LISA(光學干涉太空陣列)作為歐洲太空總署批准的大型太空實驗衛星專案,將為實現這個目標再努力約20年,計劃2035年左右開始收集資料。其首顆技術驗證星LISA Pathfinder去年年底剛剛由歐洲太空總署送上太空。

【探測計劃】LISA、太極、天琴等。

宇宙樂章的高音

【探測目標】中子星、恒星級黑洞等緻密天體組成的雙星系統

【重力波頻率】幾十到幾千赫茲

【解碼】這就是人類第一次直接探測到的重力波信號,探測手段是地面數公里的雷射干涉裝置。

【探測計劃】LIGO、VIRGO、GEO600、KaGRA、LIGO-India等。

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