人類首次「看見」引力波意味著什麼（10大事實綜述） | 資訊 | 數據觀 | 中國大數據產業觀察

關鍵詞/引力波2016年2月11日，LSC（LIGO科學合作組織，LIGO Scientific Collaboration）向全世界宣布：人類首次直接探測到了引力波，並且首次觀測到了雙黑洞的碰撞與併合。2017年10月16日，再次被引力波刷屏！多國天文學家宣布，人類第一次直接探測到來自雙中子星合併產生的引力波以及伴隨的電磁信號，這是人類第一次既能「聽到」也能「看到」引力波事件，標誌著「多信使天文學」進入「耳聰目明」的新時代。那麼，到底什麼是引力波？引力波怎麼探測？引力波解答了哪些疑問？還有哪些未解之謎？詳情參看下文！到底什麼是引力波到底什麼是引力波？引力波是如何產生的呢？百年之前，愛因斯坦在廣義相對論的基礎上預測了引力波的存在。洞悉宇宙源頭，宇宙就是在一場爆炸中誕生的，這意味著，宇宙中會出現大質量天體的加速、碰撞和合併等極其劇烈的天體運動過程，過程中的大質量天體劇烈運動擾動著周圍的時空，扭曲時空的波動也在這個過程中以光速向外傳播出去，因此引力波的本質就是時空曲率的波動，也可以唯美地稱之為時空的「漣漪」，雖然產生這種較強引力波的波源距離地球都十分遙遠，傳播到地球時變得非常微弱，但是引力波還是能讓我們還原這個震動。所以，可以這樣來理解，引力波是一種以光速傳播的時空波動，如同石頭丟進水裡產生的波紋一樣，引力波被視為宇宙中的「時空漣漪」，或者說如果將時空看成一張大橡膠膜，用小球代替天體，當小球被放上橡膠膜時，球的質量會把橡膠膜往下壓，這時，如果在旁邊再放一顆球，兩顆球分別造成的「時空彎曲」就會讓它們逐漸滾向對方，當它們互相加速運動時，產生的「漣漪」就是引力波。

（視頻來源：央視財經）神秘的時空漣漪宇宙很奇妙，很多報道引力波的文章都不忘提到《三體》，劉慈欣的《三體》掀起的熱潮還餘波未平，宇宙的另一端，13億光年前兩個黑洞合併引發的引力波，經過漫長的旅程抵達地球，並被人類捕捉到了，愛因斯坦的預測是真的，引力波時代已經到來！如果你讀過《三體》第三部《死神永生》，會對引力波出現時那幾行加粗的黑體字留下印象：北美引力波發射台被摧毀。歐洲引力波發射台被摧毀。亞洲引力波發射台被摧毀。太陽電波放大功能被全頻段壓制。引力波宇宙廣播系統無法回復，黑暗森林威懾終止。這是全書中最為緊張的時刻！發生在執劍人羅輯和程心交接後的10分鐘，三體世界利用強互作用力探測器水滴果斷對地球實行了攻擊。他們沒有攻擊執劍人，而是直接摧毀了地球上的三座引力波發射台。制衡三體世界的威懾系統被摧毀，三體人佔領了地球。但是，還有一座引力波發射台是建造在太空飛船上的，這艘飛船恰好名為「萬有引力」，這艘引力波飛船逃脫了三體世界的追擊，在得知地球文明在三體世界統治下正在走向毀滅時，他們最終選擇了威懾——用引力波向宇宙廣播了三體世界的坐標。《三體》中引力波的引用是用來發布坐標的，為什麼要用引力波，劉慈欣說:「引力波用於科幻，主要是由於它傳播時的低衰減特性，可以穿透巨量的物質傳輸很遠的距離，甚至可以傳到宇宙盡頭，被認為有可能實現未來宇宙通訊。《三體》裡面的引力波就是出於這一點。

（視頻來源：朝聞天下）引力波一個很專業的領域，涉及到廣義相對論中至今無精確解的一個方程，外行真正搞明白是很難的，但引力波的發現給我們提供了一個觀測宇宙的新途徑，（人類）探測到引力波的這種能力，很有可能引發天文學革命，這一神秘的「時空漣漪」將會讓人類能真正看到「宇宙之美」！引力波怎麼探測北京時間10月16日晚22時，包括我國在內的多國科學家宣布，人類第一次直接探測到來自雙中子星合併的引力波，並同時「看到」由這一壯觀宇宙事件發出的電磁信號。

（這張由加州理工學院和牛津大學提供的圖片顯示的是雙中子星GW170817合併的射電波觀測圖象。新華社發）據科學家介紹，2017年8月17日，美國激光干涉引力波天文台（LIGO）發現一個新的引力波信號GW170817。這個信號是一個由雙中子星合併產生的引力波。全球約70個地面及空間望遠鏡從紅外、X光、紫外和射電波等多個波段開展後續觀測。這其中，也包括中國架設在崑崙站的南極巡天望遠鏡AST3－2。僅僅在LIGO觀測到引力波信號後的1．7秒，美國費米太空望遠鏡探測到名為GRB170817A的伽馬射線暴。「費米幾乎在同一時間觀測到伽馬射線暴，讓我們更加興奮，也更有緊迫感。」加州理工學院LIGO數據分析小組負責人艾倫·溫斯坦教授回憶說。LIGO和費米在遇到強信號時，會自動向天文界發送警報。這是一場與時間的賽跑，世界範圍內的望遠鏡後續觀測隨即啟動。大約11個小時後，位於智利的斯沃普望遠鏡率先觀測到此次信號的光學對應物——位於一個叫NGC4993星系的雙中子星系統。基於AST3－2獨立收集到的數據，科研人員還計算出，此次兩顆緻密中子星合併的過程共拋射出超過3000倍地球質量的物質，這些物質攜帶有巨大能量，拋射速度達到0．3倍光速。引力波也被稱為「時空的漣漪」。1916年，愛因斯坦基於廣義相對論預言，劇烈的天體活動會帶動周圍的時空一起波動，這就是引力波的由來。此後百年間，科學界一直在尋找引力波的存在。此前，人類已經發現4例由雙黑洞合併產生的引力波。何以震驚天文學界為什麼中子星引力波引起天文界震動？專家們說，主要原因有三個：首先——這是人類第一次探測到雙中子星合併。LIGO項目組成員、美利堅大學天體物理學家格雷戈里·哈里告訴記者，此前觀測到的引力波均來自黑洞。黑洞完全由扭曲時空構成，本質上沒有物質，而中子星卻是一個切實星體，因此能深入了解核物質的行為。哈里說，中子星引力波可以用來直接測量到源的距離，而相應的電磁信號給出了速度，由此可用來校準宇宙膨脹速度，即所謂哈勃常數，從而進一步回答宇宙從哪裡來、又往哪裡去等重大問題。其次——這是人類第一次同時觀測到來自同一個天文事件的引力波和電磁波，使得確認宿主星系成為可能。這一事件展示了引力波與電磁波等不同研究團隊之間開展合作的重要性，也標誌著「多信使天文學」跨入新時代。「我想說的是，這是第一次我們既能『看到』也能『聽到』一個天文事件，這些不同的『感官』體驗將能給我們很多信息。」哈里說，「引力波天文學才剛剛開始，隨著21世紀向前發展，我們可以期待引力波觀測將為宇宙學、天文學、天體物理學、核物理學和引力學以及其他領域帶來更多見解。」第三——地面紅外望遠鏡探測到了中子俘獲過程，從而第一次提供確鑿證據證實了中子星合併就是宇宙金、鉑等超鐵元素的主要起源地。南非誇祖魯－納塔爾大學的引力波研究專家馬寅哲在發給記者的一份電子郵件中開玩笑說：「如果有人問帶著金戒指的女性朋友，她的金戒指從哪兒來？她應該說，這是從銀河系中的合併中子星那裡產生的。」還有哪些未解之謎本次LIGO項目組宣布發現的引力波，來自距地球約1．3億光年處的雙中子星合併。與黑洞合併只產生引力波不同的是，中子星合併除了產生引力波外，還發出了大量的電磁波。這就是讓天文學家感到興奮的「多信使天文學」。引力波和電磁波作為不同的「信使」，可以告訴我們同一個天文事件在不同方面的信息。美國田納西大學天體物理學教授邁克爾·吉德里說，「多信使天文學」是天文學家長期追求的「聖杯」，將對相關領域的未來產生巨大影響。哈里說，如果沒有引力波研究，中子星的許多性質都將是長期懸而未解的謎，包括在強引力作用下怎麼彎曲變形、合併時將會發生什麼情況、質量多大時會形成黑洞等等。「GW170817不能回答所有這些問題，但它給我們提供了以前沒有的信息，並且表明引力波觀測是解答這些問題的一個切實可行的方法。」哈里說。他指出，迄今探測到的5次引力波信號都與愛因斯坦的廣義相對論理論完全吻合，但廣義相對論卻與量子力學不相容，因此一些觀點認為廣義相對論需要修正。諸如GW170817等事件是少數能在引力極限情況下驗證廣義相對論的辦法之一。「我們還有可能觀測到更強、更清晰的信號，那也許能向我們展示愛因斯坦引力理論所不能解釋的東西。」具體到這次事件，雙中子星合併之後變成了什麼，依然沒有答案。科學家列出了兩種可能性，一種是變成了非常大質量的中子星，另一種是變成了黑洞。但不管是什麼，它的質量大約相當於2．74個太陽。十大事實綜述此次探測到的編號為GW170817的引力波信號，確認來自距地球約1．3億光年的長蛇座內NGC4993星系。以下是關於此次事件的10個關鍵事實：

（10月16日，全球多國科學家同步舉行新聞發布會，宣布人類第一次直接探測到來自雙中子星合併的引力波，並同時「看到」這一壯觀宇宙事件發出的電磁信號。這張由美國國家科學基金會、美國「激光干涉引力波天文台」、索諾瑪州立大學和A.Simonnet提供的效果圖顯示的是兩個合併中的中子星。新華社發）◎ 1、這是引力波天文台和傳統望遠鏡首次同時探測到同一個天文事件。8月17日，美國「激光干涉引力波天文台」（LIGO）率先捕捉到信號後，設在世界各地的傳統望遠鏡從伽馬射線、X光、可見光、紅外和射電波等波段分別觀測確認了GW170817的源頭。◎ 2、這是第一次觀測到雙子星合併產生的引力波信號。此前觀測到的4例引力波事件均來自雙黑洞合併。黑洞完全由扭曲時空構成，而中子星卻是一個切實星體，因此觀測到後者合併，有助深入了解核物質的行為。◎ 3、此次觀測到的引力波信號來自長蛇座內NGC4993星系，這是第一次確認位於我們銀河系之外的雙中子星系統。◎ 4、僅在LIGO觀測到引力波信號1．7秒後，美國費米太空望遠鏡探測到名為GRB170817A的伽馬射線暴。這是第一次確認中子星碰撞是短伽馬射線暴的一個來源，而以前只是理論推測。◎ 5、此次觀測到的伽馬射線暴也是天文學家迄今所觀測到距地球最近的伽馬射線暴。◎ 6、通過對此次事件的觀測和光譜分析首次證實，中子星合併是宇宙中金銀等重金屬的主要來源。◎ 7、中子星引力波信號使科學家能以全新方式校準宇宙膨脹速度，即所謂哈勃常數，從而回答一系列重大宇宙問題。◎ 8、LIGO與歐洲「處女座」（Virgo）引力波探測器合作確定了此次信號的天空區域，使後續加入的望遠鏡迅速找到GW170817源頭成為可能。◎ 9、此次探測到的引力波和電磁信號幾乎同時抵達地球，確認引力波與電磁信號一樣以光速傳播，證實了愛因斯坦的預言。◎ 10、目前只有引力波探測設備能直接探測到中子星相撞前的場景。在此次事件中，LIGO捕捉到雙中子星系統最終合併前100秒內發出的引力波信號。註：本文係數據觀綜合自新華網、山西日報、科普中國、賽先生、央視新聞《朝聞天下》、央視財經視頻
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