科學(xué)無(wú)國(guó)界
我們是知識(shí)的搬運(yùn)工
今天我們將送出三本由圖靈新知提供的優(yōu)質(zhì)科普書籍《隱匿的宇宙》。
本書為著名基本粒子物理學(xué)家村山齊教授關(guān)于“宇宙是什么”的暢銷科普讀物。書中以回答“宇宙由什么組成”以及“我們?yōu)槭裁创嬖凇边@兩個(gè)人類最為原始、樸素的疑問(wèn)為線索,通過(guò)結(jié)合最新的基本粒子物理和天體物理研究,用風(fēng)趣幽默的語(yǔ)言和比喻,從全新的視角講述了“宇宙的本原結(jié)構(gòu)”和“自然的本原法則”,清晰描繪出了當(dāng)前人類研究體系下的宇宙整體圖景,并講解了宇宙中“暗物質(zhì)”“暗能量”等神秘組成部分,是了解自然和宇宙黑暗秘密的科普佳作。
如何才能得到這本《隱匿的宇宙》呢?參與的方式非常簡(jiǎn)單!只要你認(rèn)真閱讀下面的這篇文章,思考文末提出的問(wèn)題,嚴(yán)格按照[“互動(dòng):” 你的答案答案]的格式在評(píng)論區(qū)留言,就有機(jī)會(huì)獲得獎(jiǎng)品?。≒S:格式不符合要求者無(wú)效)截止到本周四中午12點(diǎn),點(diǎn)贊數(shù)前三名的朋友將獲得一本《隱匿的宇宙》。
【互動(dòng)問(wèn)答示例】
互動(dòng):這里就可以自由發(fā)揮你的答案啦~
作者:Ethan Siegel
翻譯:Propagator
審校:山寺小沙彌
在今年的8月17號(hào),一道由兩顆合并的中子星發(fā)出的信號(hào)在經(jīng)歷1.3億光年的旅程后悄然到達(dá)地球。這對(duì)纏綿的超新星爆發(fā)殘骸,在宇宙的虛空中飄舞了110億年,經(jīng)過(guò)持續(xù)不斷的引力波輻射后,終于維持不住自己的軌道,開始圍繞著彼此盤旋。它們那運(yùn)動(dòng)的引力場(chǎng)引起時(shí)空的不斷改變,穿梭在時(shí)空波瀾中的二者自身也受到影響,動(dòng)量發(fā)生了改變,因而二者的軌道進(jìn)一步接近并最終相遇,兩個(gè)中子星的碰撞驚天動(dòng)地——千新星應(yīng)運(yùn)而生(千新星就是指亮度是普通超新星爆發(fā)一千倍的超級(jí)超新星爆發(fā))。8月17日,在三個(gè)不同的探測(cè)器上,人類首次記錄下了中子星軌道衰減與合并的引力波信號(hào),當(dāng)然,不同于黑洞的合并,這次人們還記錄下了中子星合并的電磁信號(hào),從伽馬射線到可見光到無(wú)線電波段,應(yīng)有盡有。這一次,引力波天文學(xué)正式成為了天文學(xué)大家庭的一員。
圖1-從發(fā)現(xiàn)第一個(gè)中子星雙星系統(tǒng)開始,我們就得知引力輻射會(huì)帶走能量。因此一個(gè)雙中子星系統(tǒng)的軌道衰變與最終合并只是時(shí)間問(wèn)題。
當(dāng)然,在引力波被證實(shí)后,我們就知道中子星合并的探測(cè)就只是時(shí)間的問(wèn)題了。中子星的質(zhì)量非常大,可能比太陽(yáng)還要大一些,而尺寸卻很小。我們可以設(shè)想一個(gè)原子核,它里面應(yīng)該有多少個(gè)質(zhì)子和中子呢?十幾個(gè)?幾十個(gè)?還是上百個(gè)?對(duì)于中子星而言,這么點(diǎn)空間可以容納多達(dá)1057個(gè)質(zhì)子和中子。當(dāng)多個(gè)中子星同時(shí)存在時(shí),這些不可思議的物質(zhì)劃破虛空,速度越來(lái)越快,空間本身的結(jié)構(gòu)也會(huì)彎曲、向周圍擴(kuò)展。對(duì)于雙中子星合并的脈沖星而言,在它們軌道衰減的最終階段產(chǎn)生的空間畸變是如此劇烈,以至于遠(yuǎn)在數(shù)億光年外的地球也能清晰地探測(cè)到那驚濤駭浪的余波。在過(guò)去,我們能通過(guò)二者軌道的衰減,間接觀測(cè)這一奇觀,但直接觀測(cè)直到最近才能做到。
圖2-三個(gè)探測(cè)器觀測(cè)到的由軌道衰減引起的空間畸變
每當(dāng)這些時(shí)空的漣漪掠過(guò)探測(cè)器的時(shí)候,都會(huì)使激光臂產(chǎn)生一個(gè)細(xì)微的膨脹和收縮。由于中子星系統(tǒng)的行為可以很好地由愛因斯坦的理論描述及預(yù)測(cè),我們清楚地知道軌道衰變的頻率和幅度應(yīng)該是多少。相比大質(zhì)量的黑洞系統(tǒng),低質(zhì)量中子星合并的信號(hào)在LIGO和Virgo探測(cè)器的可探測(cè)頻段停留時(shí)間更長(zhǎng)。黑洞合并的大部分引力波信號(hào)只會(huì)停留不到一秒,而中子星合并的引力波信號(hào)在一億光年以外仍然有長(zhǎng)達(dá)半分鐘的可探測(cè)時(shí)間!
圖3- 幾個(gè)引力波信號(hào)的再現(xiàn),其中四個(gè)已經(jīng)確定,一個(gè)存疑(LVT151012)
和之前觀測(cè)到的千新星爆發(fā)一樣,在引力波信號(hào)最后的啼鳴到達(dá)后僅過(guò)了1.7秒,F(xiàn)ermi伽馬射線衛(wèi)星就探測(cè)到了一個(gè)瞬時(shí)信號(hào)。LIGO和Virgo團(tuán)隊(duì)用了11個(gè)小時(shí)在天穹上定位了一片僅有28平方度的區(qū)域,而這是目前定位精度的極限了。盡管中子星合并的信號(hào)強(qiáng)度比黑洞要小幾個(gè)量級(jí),但長(zhǎng)時(shí)間的探測(cè)使得本次探測(cè)的信噪比達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的32!
B.P.圖4-在加入Virgo探測(cè)器的數(shù)據(jù)后,即使信噪比較低,我們也能以很高的精度隨時(shí)確定引力波的信號(hào)源。
在確定信號(hào)來(lái)源之后,我們就可以把手里頭最好的可見光、紅外和射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)星空中的目標(biāo)——NGC4993星系。在之后的兩周內(nèi),我們觀測(cè)到了引力波源的電磁波對(duì)應(yīng)體,F(xiàn)eimi衛(wèi)星同樣觀察到了伽瑪暴余輝。至此,人類歷史上首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)中子星合并進(jìn)行引力波和光譜結(jié)合的觀測(cè),觀測(cè)結(jié)果也證實(shí)了理論學(xué)家的大膽猜想:中子星合并正是宇宙中大部分重元素的來(lái)源。
圖5-引力波信號(hào)到達(dá)幾小時(shí)后,光學(xué)望遠(yuǎn)鏡實(shí)時(shí)地觀測(cè)了合并的星體突然變亮又逐漸暗淡的過(guò)程。
當(dāng)然,這次合并里還有很多信息有待解讀,而這些信息對(duì)于引力波天文學(xué)的未來(lái)發(fā)展方向有著重要的指導(dǎo)意義。
1.雙中子星系統(tǒng)幾乎沒有自轉(zhuǎn)。對(duì)于一個(gè)單獨(dú)的中子星而言,它可能是全宇宙自轉(zhuǎn)速度最快的物體之一,可以達(dá)到百分之幾的光速,最快能每秒轉(zhuǎn)700余次。但在雙中子星系統(tǒng)中卻不然。近處的大質(zhì)量天體意味著非常強(qiáng)的潮汐力,兩個(gè)中子星高梯度的引力場(chǎng)使得彼此的自轉(zhuǎn)都大為減緩。等到二者合并的時(shí)候,各自的自轉(zhuǎn)已經(jīng)到小了可以忽略不計(jì)的地步,這時(shí)我們可以由引力波信息嚴(yán)格地推導(dǎo)出其軌道參數(shù)。
2. 至少有相當(dāng)于28個(gè)木星質(zhì)量的物質(zhì)在合并中被轉(zhuǎn)化為能量。之前我們從未借助引力波觀測(cè)過(guò)中子星合并。在同等級(jí)的黑洞合并過(guò)程中,多達(dá)5%的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量。而在中子星合并中這個(gè)比例要小很多,因?yàn)橹凶有堑呐鲎舶l(fā)生在原子核之間,雖然這個(gè)原子核質(zhì)量極大,但它畢竟不是黑洞中的奇點(diǎn)。即便如此,還是會(huì)有至少1%的質(zhì)量按照質(zhì)能關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?,這可不是個(gè)小數(shù)目。
圖6-無(wú)質(zhì)量的粒子以光速傳播,包括光子、膠子和引力波,三者分別荷載著電磁相互作用、強(qiáng)相互作用和引力。
3. 引力波的傳播速度就是光速。在本次探測(cè)之前,我們從未探測(cè)到過(guò)發(fā)自同一個(gè)波源的引力波和光波,因而無(wú)法嚴(yán)格對(duì)比。在經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)1.3億光年的旅程后,這次合并的電磁波信號(hào)在引力波信號(hào)峰出現(xiàn)僅僅1.7秒后就到達(dá)地球。這就意味著,引力波和光波的傳播速度僅僅相差0.12微米每秒,按百分比就是0.00000000000004%。理論上說(shuō)二者應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格相等,這個(gè)1.7秒的延遲源自于電磁波由產(chǎn)生到傳播至中子星表面耽誤的那一兩秒的時(shí)間。
圖7-本次事件的主角NGC4993星系,離我們足有1.3億光年,在8月17日引力波信號(hào)后,觀測(cè)到了新的瞬態(tài)光信號(hào),也就是此次中子星合并的光學(xué)對(duì)應(yīng)體。
4. 更快的探測(cè)響應(yīng)速度完全可以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)我們初次在星空中確定電磁波信號(hào)源三維空間坐標(biāo)的時(shí)候,花了足足十二個(gè)小時(shí)。誠(chéng)然,我們?cè)诘谝粫r(shí)間就觀測(cè)到了光學(xué)對(duì)應(yīng)體,但老話說(shuō)得好,先下手為強(qiáng)。隨著自動(dòng)化分析技術(shù)的發(fā)展和不同地區(qū)探測(cè)器同步性的提高,響應(yīng)速度會(huì)越來(lái)越快??梢韵胍娫谖磥?lái)的幾年內(nèi),LIGO和Virgo的靈敏度會(huì)越來(lái)越高,類似LIGO的探測(cè)器也會(huì)越來(lái)越多(如日本的KAGRA和印度的LIGO-india)到那時(shí),別說(shuō)等半天了,一分鐘的響應(yīng)時(shí)間我們說(shuō)不定都會(huì)嫌慢。
圖8-LIGO利文斯頓出現(xiàn)了噪音(藍(lán)色曲線),需要人工干預(yù)。
5. 太空才是最適合引力波觀測(cè)的地方。在地面上,我們之所以花了那么長(zhǎng)時(shí)間確定波源位置,部分由于在洛杉磯利文斯頓的探測(cè)器出現(xiàn)了一個(gè)“噪音”:不知為何地面探測(cè)器發(fā)生了晃動(dòng)。這就導(dǎo)致分析軟件無(wú)法從原始信號(hào)中抽離出真實(shí)信號(hào),研究人員不得不進(jìn)行人工干預(yù)。LIGO-Virgo團(tuán)隊(duì)的工作令人贊嘆,但假如把探測(cè)器放在太空中,這種烏龍根本不會(huì)出現(xiàn),太空軌道上可不會(huì)有這種震波噪音的存在。
圖9-中子星合并的藝術(shù)想象圖,中子星合并可以同時(shí)產(chǎn)生引力波和電磁信號(hào)。
受限于目前的儀器條件,中子星合并的光學(xué)與紅外特征信號(hào)延遲了將近11個(gè)小時(shí)。隨著分析技術(shù)的改善,我們將會(huì)在一次次的天文事件中,進(jìn)一步確定中子星系統(tǒng)合并到產(chǎn)生可見光信號(hào)需要多少時(shí)間。
最后我們盤點(diǎn)一下這次探測(cè)的成果吧:重元素的來(lái)源被確定;引力波的傳播速度蓋棺定論;引力波和電磁波可以用觀測(cè)同一片星空。LIGO的質(zhì)疑者們得到了有力的回應(yīng),清晰明確。以前人們總說(shuō)引力波將來(lái)會(huì)是天文學(xué)不可分割的一部分,而這個(gè)“將來(lái)”已經(jīng)來(lái)臨。讓我們祝賀LIGO,也祝賀全人類。今后,引力波發(fā)掘的寶貴知識(shí)財(cái)富將會(huì)是所有地球生靈的福祉。
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互動(dòng)問(wèn)題
【互動(dòng)問(wèn)題:相比黑洞,中子星的軌道衰變和合并有什么特點(diǎn)?】
請(qǐng)大家嚴(yán)格按照[“互動(dòng):” 問(wèn)題答案]的格式在評(píng)論區(qū)留言參與互動(dòng),格式不符合要求者無(wú)效。
截止到本周六中午12點(diǎn),點(diǎn)贊數(shù)前三名的朋友將獲得我們送出的圖書一本。
編輯:山寺小沙彌
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