引力波信號存在奇怪噪聲:歷史性發現或存疑
2017年07月06日09:24
LIGO天文台的科學家第三次探測到引力波。圖為藝術家所繪引力波概念圖。
LIGO天文台的科學家第三次探測到引力波。圖為藝術家所繪引力波概念圖。

  新浪科技訊 北京時間7月6日消息,據國外媒體報導,一個世紀前,愛因斯坦曾預言過“時空中的漣漪”、即引力波的存在。而在科學家聲稱第三次探測到引力波之後,科學界出現了一些爭議。

  科學家去年首次探測到了時空的抖動現象,這被譽為“本世紀最重大的科學突破”。自此之後,研究人員又探測到了兩次引力波。但在本年二月發佈數據之後,其他研究人員對這些探測結果進行了詳細審查,並稱他們在信號中發現了意想不到的噪聲,“這些相關性很奇怪,不應該出現在這裏。”

  該研究團隊由哥本哈根尼爾斯・玻爾研究所物理學家安德魯・傑克遜(Andrew Jackson)領導。他們於本月初發表了研究結果。激光干涉引力波天文台(簡稱LIGO)的科學家們對兩道光束的干涉結果進行了測量,從而探測到了時空受到的擾動。引力波極其微弱,因此LIGO天文台的探測精度極高,即使目標的移動距離只有質子直徑的一萬分之一,也能被檢測出來。

這張概念圖描繪了兩個黑洞旋轉方向不一致時的情況。在LIGO天文台收集的證據中,指向“非對準旋轉”的證據更多。
這張概念圖描繪了兩個黑洞旋轉方向不一致時的情況。在LIGO天文台收集的證據中,指向“非對準旋轉”的證據更多。

  為保證結果的精確性,LIGO天文台分為兩處,相距3000公里。它們同步運作,對彼此的觀測結果提供雙重檢驗。

  兩台探測器監測到的噪聲理應完全不相關,即使一台探測器附近發生了風暴,也不會在另一台探測器中以噪聲的形式體現出來。該團隊探測到的部分“噪聲”源包括:“光子如雨滴般打在光線探測器上發出的‘嘶嘶聲’;地震和海水衝擊地殼產生的隆隆聲;以及強風晃動建築物時發出的聲音。”如果發現了引力波,它應當差不多同時在兩台儀器中產生相似的信號。

  而傑克森的團隊指出,在探測到引力波信號的同時,兩台探測器中似乎產生了相關噪聲。“我們關注的主要是人類探測到的首個引力波信號,即GW150914。我們尤其留意了信號到達位於漢福德和利文斯頓兩處探測器之間的時間間隔。”該團隊表示。“在我們看來,要想確定這一信號的確是天體物理學事件的產物、而不是碰巧相關,LIGO天文台兩台探測器的‘賸餘’時間記錄之間應當不存在相關性才對。而我們的調查顯示,兩者恰恰呈強相關。我們希望別的研究人員能夠重複我們的計算過程,提出自己的見解。在物理學中,‘盲目相信’顯然不能取代‘充分理解’。”這一無法解釋的相關性可能產生諸多後果,小到修改從信號中提取的引力波,大到否定整個‘聲稱發現了引力波’的言論。

  LIGO天文台發言人稱,探測結果中也許的確存在無法解釋的相關性,但應該不會影響已有結論。馬克斯・普朗克引力物理學研究所的研究人員、LIGO天文台科學合作會成員伊恩・哈利(Ian Harry)公開駁斥道,該研究團隊無法重複計算出他們聲稱存在的相關性,因此他們的結論可能是由代碼錯誤所致。

圖中綠色格線代表太陽和地球造成的時空彎曲。愛因斯坦在廣義相對論中提出,質量巨大的天體的引力會使時空發生扭曲。
圖中綠色格線代表太陽和地球造成的時空彎曲。愛因斯坦在廣義相對論中提出,質量巨大的天體的引力會使時空發生扭曲。

  但兩支團隊都不肯承認自己錯了。據悉,LIGO團隊稱“我們曾和對方進行過深入交流,並不認同他們的調查方法,更無法讚同其結論。”

  2017年1月4日,LIGO天文台科學合作會(簡稱LSC)第三次探測到引力波的存在。就像前兩次一樣,此次引力波是兩個黑洞相撞、合併時產生的。合併後形成的黑洞質量約為太陽的49倍,剛好處於第一次的62倍和第二次的21倍中間。

  “我們進一步確認了質量超過太陽20倍的黑洞的存在。在LIGO探測到它們之前,我們從不知道宇宙中存在這樣的天體。”麻省理工學院科學家、LIGO科學合作會發言人戴維・舒梅克博士(Dr David Shoemaker)指出,“這些奇怪而極端的事件發生在數十億年之前、距我們足有數十億光年之遙,而人類竟能提出合理的解釋、並進行驗證,這真是非同凡響。LIGO和VIRGO(室女引力波探測器)科學聯合會做出了巨大貢獻。”

  LIGO天文台探測到的三次引力波均由能量巨大的黑洞合併所產生。黑洞相撞時,產生的能量可超過宇宙中所有恒星和星系輻射出的能量總和。

這張計算機模擬圖顯示了兩個黑洞(圖中上方的兩個球體)相撞時、周圍時空的扭曲情況。彩色部分為以二維呈現的空間。圖中漏鬥狀的扭曲由黑洞的質量所產生。靠近黑洞的顏色代表時間流逝的速度:綠色代表正常;黃色代表偏慢20-30%,紅色則代表大幅放慢。
這張計算機模擬圖顯示了兩個黑洞(圖中上方的兩個球體)相撞時、周圍時空的扭曲情況。彩色部分為以二維呈現的空間。圖中漏鬥狀的扭曲由黑洞的質量所產生。靠近黑洞的顏色代表時間流逝的速度:綠色代表正常;黃色代表偏慢20-30%,紅色則代表大幅放慢。

  最近探測到的一次引力波似乎離我們最遠,黑洞距我們約30億光年。科學家稱引力波為我們打開了一扇“新大門”,讓我們更好的觀察宇宙、並獲取與黑洞和中子星等神秘天體相關的知識。對這些天文現象的瞭解將有助於我們弄清宇宙的起源。

  “此次發現使我們以全新的方式深入時空,這在發現引力波之前是無法做到的。”美國國家科學基金會主管弗朗斯・科爾多瓦(France Córdova)指出,“這一次,我們將目光投向了30億光年之外。LIGO天文台將繼續做出偉大的發現,從實驗逐漸過渡到真正的引力波天文台。更重要的是,每次探測結果不僅僅讓我們目睹了奇景。通過收集數據,我們逐步瞭解了這些天體的起源和特性,從而更好地理解宇宙。我們知道,這僅僅是開始而已。這扇‘宇宙之窗’將不斷擴大。成百上千的研究人員從世界各處彙集於此,為LIGO天文台做出自己的貢獻,進一步瞭解黑洞合併、中子星和其它天文現象。對此,我們拭目以待。”

  當一對黑洞圍繞彼此旋轉時,它們還會按照自身的軸線旋轉,就像兩名花樣滑冰選手。

  有時,當一對黑洞在軌道上移動時,會朝著同一軌道方向旋轉,名為“校準旋轉”;有時,它們則會朝相反方向旋轉。此外,黑洞還會傾斜、偏離原有的軌道平面。

  LIGO天文台的最新數據顯示,至少有一個黑洞與整體的軌道運動情況不一致。要確定雙黑洞系統的旋轉方式,LIGO還需進行進一步觀察。但從這些早期數據中,可總結出雙黑洞系統可能的形成方式。

  “這是我們首次獲得黑洞運動情況不一致的證據,給了我們一點暗示,讓我們猜測雙黑洞系統在密集的恒星團中是如何形成的。”英國卡迪夫大學的班加羅爾・薩西亞普拉卡什(Bangalore Sathyaprakash)指出。

  有兩種理論或能解釋雙黑洞系統的由來。

  第一個模型提出,兩個黑洞是同時誕生的。雙星系統的兩顆恒星爆炸時,分別生成了黑洞;由於原本的恒星旋轉方向一致,產生的黑洞也可能保持一致。

  第二個模型認為,兩個黑洞在恒星團中先後誕生。當它們抵達恒星團中央後,便結合形成了雙黑洞系統。在這種情況下,黑洞可朝著相對軌道運動的任何方向旋轉。

  在LIGO天文台收集的證據中,指向此次新發現的黑洞旋轉方向不一致的證據更多,因此第二種理論更占上風。

  “我們真的開始收集雙黑洞系統的數據了。”LIGO漢福德天文台的凱塔・卡瓦比(Keita Kawabe)說道,“這很有意思,因為在過去幾年間、甚至現在,有一些解釋雙黑洞系統形成過程的模型比其它模型更受推崇。而今後我們將進一步縮小合理的模型範圍。”

圖為LIGO漢福德實驗室激光與真空設備區(LVEA)的鳥瞰圖,包括激光器、光束分離器等儀器。
圖為LIGO漢福德實驗室激光與真空設備區(LVEA)的鳥瞰圖,包括激光器、光束分離器等儀器。

  此次研究又一次對愛因斯坦的理論發起了檢驗。

  例如,研究人員試圖尋找一種名為色散的現象。當光波穿過玻璃等物理媒介時,由於波長不同、傳遞速度也不同,從而被分離開來,形成彩虹。愛因斯坦的廣義相對論認為,在引力波從波源出發、傳播至地球的過程中,不會發生色散現象。LIGO天文台的確沒有找到相關證據。

  “愛因斯坦好像說對了。即使此次最新探測到的波源距離長達第一次探測到的兩倍,他的預言依然成立。”佐治亞理工學院的勞拉・卡多納提(Laura Cadonati)指出,“我們的觀測結果與廣義相對論的預測一致。而此次黑洞距我們如此遙遠,更加強了我們的底氣。”

  該團隊還將繼續分析LIGO收集的數據,尋找更遠處出現時空波動的跡象。

  他們還將參與LIGO天文台2018年末開始的技術升級,屆時該探測器的敏感度將進一步提高。

  研究人員在一次媒體見面會上表達了用LIGO探測中子星的野心。

  中子星是巨型恒星遭遇超新星爆炸後、內核坍塌的產物,在此過程中,質子和電子相互融合、形成了中子。

  研究人員希望,提高LIGO設備的敏感度將幫助他們確定中子星的位置。他們指出,如果對中子星的形成過程瞭解不夠,就難以做出重大發現。

  “在第三次確認發現由黑洞相撞產生的引力波之後,LIGO天文台向世人證明,它的性能卓越無比,可帶領我們瞭解宇宙的陰暗面。”LIGO實驗室執行主管、加州理工大學的戴維・雷茨(David Reitze)指出,“雖然LIGO經過特殊設計、適於觀察此類天文事件,但我們希望不日便能觀察到其它的天體物理學事件,如兩顆中子星相撞等。”(葉子)

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