愛(ài)因斯坦的猜想是如何被證實(shí)的

“引力波”，聽(tīng)名字給人一種曼妙舞動(dòng)的韻律之美，愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論中曾描述：“引力波以光速迅速擴(kuò)散，充滿整個(gè)宇宙。”引力是由于質(zhì)量所引發(fā)的時(shí)空扭曲所造成，任何有質(zhì)量的物體加速運(yùn)動(dòng)都會(huì)對(duì)周?chē)臅r(shí)空產(chǎn)生影響，時(shí)空在伸展和壓縮的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這些振動(dòng)就是引力波。這些波動(dòng)，可以想象為將一塊石子投入水中所掀起的漣漪，因此人們也為引力波賦以一個(gè)好聽(tīng)的名字“時(shí)空漣漪”。

引力波一直是愛(ài)因斯坦提出來(lái)的虛無(wú)之物，沒(méi)有人見(jiàn)過(guò)，沒(méi)有人能證明，沒(méi)有人能檢測(cè)到。就連愛(ài)因斯坦本人也想象不到，能通過(guò)怎樣的方法探測(cè)到引力波，以至于他本人直到逝世前都還在懷疑黑洞的存在。

金秋十月，“引力波”變得如巨星般耀眼，先是10月3日，來(lái)自LIGO(激光干涉引力波天文臺(tái))團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家們由于其在引力波研究方面的貢獻(xiàn)而被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。接著北京時(shí)間10月16日晚上10點(diǎn)，一個(gè)世界天文學(xué)界里程碑式的時(shí)間來(lái)到，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、歐洲南方天文臺(tái)、中國(guó)中科院紫金山天文臺(tái)等機(jī)構(gòu)同步召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，宣布第一次同時(shí)“聽(tīng)到”和“看到”來(lái)自雙中子星并合的一次引力波事件。

這是人類第五次探測(cè)到引力波。然而科學(xué)界的興奮之情甚至不亞于第一次探測(cè)到引力波時(shí)。因?yàn)榕c之前被探測(cè)到的四個(gè)引力波信號(hào)不同，這次探測(cè)到的引力波信號(hào)GW170817來(lái)自1.3億光年外兩顆并合的中子星，而且科學(xué)家第一次同時(shí)觀測(cè)到了引力波及其電磁對(duì)應(yīng)體。

“這次科學(xué)家們宣布首次直接探測(cè)到了壯麗的雙中子星并合產(chǎn)生的時(shí)空漣漪——引力波及其伴隨的電磁信號(hào)。這標(biāo)志著人類歷史上第一次使用引力波天文臺(tái)和其他望遠(yuǎn)鏡同時(shí)觀測(cè)到了同一個(gè)天體物理事件，這次發(fā)現(xiàn)同時(shí)也打開(kāi)了等待已久的多信使天文學(xué)的新窗口，引力波天文學(xué)為理解中子星的性質(zhì)提供了電磁天文學(xué)單獨(dú)所不能實(shí)現(xiàn)的新機(jī)會(huì)。這次發(fā)現(xiàn)是由位于美國(guó)的激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)和位于歐洲的室女座干涉儀(Virgo)引力波探測(cè)器以及其他70個(gè)地面及空間望遠(yuǎn)鏡共同完成的?！鼻迦A大學(xué)LIGO科學(xué)合作組織負(fù)責(zé)人曹軍威說(shuō)。清華大學(xué)LIGO科學(xué)合作工作組是此次中國(guó)唯一參與觀測(cè)引力波的團(tuán)隊(duì)。自2009年成為L(zhǎng)IGO科學(xué)合作組織正式成員以來(lái)，清華大學(xué)的這個(gè)團(tuán)隊(duì)參與了迄今為止的所有引力波的發(fā)現(xiàn)。

“這是人類迄今觀測(cè)到強(qiáng)度最強(qiáng)的引力波信號(hào)。”與之前探測(cè)到的雙黑洞并合引力波信號(hào)只有1秒不同，此次中子星并合產(chǎn)生的引力波持續(xù)了大約100秒， LIGO科學(xué)合作組織成員的科學(xué)家向記者展示了雙中子星并合的動(dòng)畫(huà)過(guò)程，兩個(gè)天體相互旋進(jìn)，最終并合并產(chǎn)生大量拋射物，外形就像旋轉(zhuǎn)的風(fēng)車(chē)。最大的驚喜來(lái)自100秒的后半程，“一定要準(zhǔn)備好你的耳朵，聽(tīng)，開(kāi)始了……”果然一聲“啁啾”聲傳來(lái)，這就是雙中子星即將發(fā)生并合前由于相互繞轉(zhuǎn)頻率不斷提高而發(fā)出的聲音，引力波長(zhǎng)啥樣，聽(tīng)這個(gè)聲音就知道了。

中子星是恒星演化末期形成的一類致密天體。雖然它的半徑只有十幾公里，質(zhì)量卻與太陽(yáng)相當(dāng)。中子星到底有多硬？其內(nèi)部物質(zhì)以何種狀態(tài)存在？這些一直是科學(xué)家感興趣的問(wèn)題。根據(jù)此次觀測(cè)到的引力波信號(hào)，科學(xué)家估算出兩顆中子星的質(zhì)量、半徑，并對(duì)其密度給出了保守的限制。

在清華大學(xué)引力波成果展示現(xiàn)場(chǎng)，大屏幕上出現(xiàn)了一張北京地圖，此次并合的中子星大約有多大，科學(xué)家說(shuō)，直徑約為20到25公里，如果放在北京地圖上，大致可以覆蓋北京的三環(huán)區(qū)域，“也就是說(shuō)，清華大學(xué)所在四環(huán)外還不在中子星覆蓋范圍內(nèi)?！敝凶有堑降子卸嘀?，科學(xué)家預(yù)測(cè)，這兩個(gè)相互旋進(jìn)的天體的質(zhì)量估計(jì)為1.5到1.6倍太陽(yáng)質(zhì)量，也就是說(shuō)把1.5到1.6倍的太陽(yáng)質(zhì)量壓縮到一個(gè)非常小的區(qū)域中，其密度大得驚人。距離我們有多遠(yuǎn)，約1.3億光年，也就是說(shuō)這是1.3億光年前的一次碰撞，今天才被我們?nèi)祟愃^測(cè)到。

說(shuō)起此次雙中子星并合的探測(cè)過(guò)程，簡(jiǎn)直比國(guó)際刑警跨洲追捕逃犯還要精彩。

2017年8月17日，分布在全球各地的天文學(xué)家們獲得了一個(gè)消息，LIGO和Virgo探測(cè)器探測(cè)到了一個(gè)持續(xù)時(shí)間為100秒左右的新引力波信號(hào)，其形式與兩個(gè)中子星的并合相一致。

在得知這一消息之后，全世界各地的望遠(yuǎn)鏡就開(kāi)始了忙碌的觀測(cè)。南美、夏威夷、澳洲、南非、西班牙……全球所有頂級(jí)天文臺(tái)都像瘋了一樣，從東向西，隨著黑夜降臨在一個(gè)個(gè)大陸，各個(gè)天文臺(tái)一波波地開(kāi)工，接力完成了對(duì)這個(gè)事件的跟進(jìn)觀測(cè)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球一共有70架以上的各種天文望遠(yuǎn)鏡參加了觀測(cè)，這些觀測(cè)覆蓋了整個(gè)電磁波段：光學(xué)、紅外、紫外、高能、射電。

在此之前，射電天文學(xué)的加入，讓光學(xué)和射電成為天文學(xué)的兩駕馬車(chē)；空間望遠(yuǎn)鏡的加入，讓電磁波的全波段天文時(shí)代降臨；宇宙線和中微子的加入，又讓人看到了“多信使天文學(xué)”時(shí)代的曙光。

如今，人們用引力波和電磁波一起看到了一場(chǎng)宏大宇宙煙火的前后全貌，首次直接探測(cè)到了由雙中子星并合產(chǎn)生的時(shí)空漣漪——引力波及其伴隨的電磁信號(hào)，標(biāo)志著人類歷史上第一次使用引力波天文臺(tái)和其他望遠(yuǎn)鏡同時(shí)觀測(cè)到了同一個(gè)天體物理事件。

“以前面對(duì)宇宙，人類非聾即瞎?！敝锌圃焊吣芪锢硌芯克芯繂T張雙南說(shuō)，400多年前伽利略發(fā)明了天文望遠(yuǎn)鏡，從此遠(yuǎn)在天邊的宇宙天體就變成了近在眼前。2016年2月11日LIGO宣布聽(tīng)到了兩個(gè)黑洞結(jié)合在一起發(fā)出的聲音，人類終于能夠聽(tīng)到宇宙的聲音了。而這一次，人類不但聽(tīng)到了天體結(jié)合發(fā)出的美妙歌聲，而且也看到了它們相愛(ài)迸發(fā)的煙花，耳聽(tīng)為虛，眼見(jiàn)為實(shí)，可以說(shuō)，從此，人類終于“耳聰目明”了。

正如中科院國(guó)家天文臺(tái)茍利軍博士所言，這次觀測(cè)成果在為人類解答了一些疑惑的同時(shí)也提出了更多問(wèn)題，與歷史上所有天文發(fā)現(xiàn)一樣，這是人類好奇心的勝利與新起點(diǎn)。

本報(bào)記者 蔡文清