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記住過去展望未來 如何探測引力波留下的“記憶”

2019-12-10 09:31:05  來源:新浪科技

北京時間12月10日消息,據國外媒體報道,引力波以時空漣漪的形式在宇宙中傳播,而這些時空漣漪正是由宇宙中最劇烈的事件所產生的。

利用激光干涉引力波天文臺(LIGO)和室女座干涉儀(Virgo)這樣的設備,天文學家可以探測到那些強度足以“波及”地球的時空漣漪。當引力波通過宇宙空間時,會留下某種“記憶”,即時空的永久彎曲,而對這種現象的探測或許很快就能實現,這將使我們對引力的理解更進一步。

引力波

盡管愛因斯坦的廣義相對論已經有一個多世紀的歷史,但這仍然是我們目前理解引力如何運作的最好理論。該理論將空間和時間合并成一個統一的框架,即“時空”。這個時空不僅僅是一個固定的舞臺,它還會隨著物質和能量的存在而彎曲或扭曲。

時空的彎曲(或者說翹曲、扭曲)決定了物質如何運動。在廣義相對論中,從光子到高速飛行的子彈,再到爆炸的宇宙飛船,所有這些物體都試圖沿直線飛行,但它們周圍的時空是扭曲的,迫使它們都沿著彎曲的軌跡前進。這就好像你試圖以直線穿過山口,但卻要沿著彎彎曲曲的峰巒和山谷地形前進。

我們所稱的“引力”是所有這些時空扭曲的結果,移動的物體別無選擇,只能跟隨周圍時空的彎曲而做出相應的運動。和其他可彎曲的表面一樣,時空不只是彎曲或翹曲,它還會產生振動。

想象你站在蹦床上,蹦床會因為你的重量而凹陷。如果有人也跳上蹦床,試圖在你旁邊走動,那他們就會感受到你的“引力”,只能走一條彎曲的路徑。但是,如果離你足夠遠,那他們甚至不會注意到你的影響。而如果你開始在蹦床上跳上跳下,就會發出波狀振動,那他們會不由自主地被你的動作所影響。

記住過去

引力波以類似的方式運作,通過時空結構本身的漣漪傳遞能量。這些漣漪的來源可以是幾乎所有類型的運動,但由于引力如此微弱(它是自然界四大基本相互作用中最弱的),引力波更加微弱,只有能量最強烈的運動才能夠創造出地球上儀器能夠檢測到的時空漣漪。

到目前為止,激光干涉引力波天文臺(LIGO)和室女座干涉儀(Virgo)已經觀測到了幾十次引力波事件,其來源包括大質量黑洞之間,以及中子星之間的合并。這些事件產生的引力波在宇宙中蕩漾,最終到達地球。當它們經過地球的時候,會非常輕微地移動物體(幅度可能比原子的寬度還小)。

甚至我們自己也會受到這種影響。此刻,你正在被數十億光年外一場劇烈事件所產生的引力波輕輕擠壓和拉伸。你可能以為一旦引力波過去,事情就結束了,但引力是一種很奇妙的力,而引力波的問題更加復雜。

幾乎任何一種運動都會產生引力波,從相互碰撞的黑洞到你揮舞的雙手,甚至引力波本身。當引力波在時空中傳播時,它們會成為新的引力波來源,并一直延續下去。每一代新引力波都比上一代更弱,這種效應逐漸累積,形成科學家所稱的時空“記憶”——在引力波經過后留下的永久時空扭曲。

換句話說,當引力波經過你的時候,你不只是暫時的被拉伸和擠壓,而是隨著一次次新的引力波產生,你會被永久地拉伸。

展望未來

由于引力波產生的引力波是如此微弱,天文學家直到目前還沒有發現這種時空“記憶”的任何證據,但理論上它應該存在,潛伏在LIGO和Virgo所獲得的數據中。我們應該看到的是,在確認的引力波事件發生很久之后,探測器的位置會發生持久的變化。

最近,一組天文學家研究了怎樣才能最終看到引力波“記憶”。由于每次事件的檢測只留下了非常微弱的記憶痕跡,因此無法連續地觀測到這種現象。相反,我們必須將多個事件綜合起來,以積累表明該現象存在的證據。

我們需要多少個事件?研究人員預測,我們需要記錄大約2000個獨立的黑洞合并事件,才能發現引力波留下的永久記憶。這樣的探測不會很快實現,但是下一代的引力波天文臺有望每天收集大約10個事件,或許在一年內就能找到這樣的記憶證據。

如果廣義相對論的預測是正確的,那么這種永久的時空記憶就應該存在。如果天文學家在幾年的尋找之后沒有發現任何東西,我們將不得不重新思考對引力的理解,看看是否遺漏了什么。(任天)

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