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聆听宇宙
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Stuart Clark 文 Shea 编译 |
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对时空涟漪——引力波——的搜寻可以帮助我们甄别不同的引力理论。 这里就像在颁奥斯卡奖，但只有物理学家参加，没有演员。他们300人聚集在美国加州阿卡迪亚的一个舞厅里，另有100多人通过视频与会场相连。所有人都在等待信封被打开的那一刻。 虽然这个仪式也许缺少吸引力（抱歉，物理学家们），但它可以用其戏剧性来弥补。与好莱坞颁奖相反，那个信封里的东西会让他们所有人要么都成为赢家，要么都一败涂地。 他们正在搜寻宇宙结构中的涟漪——引力波，它是爱因斯坦广义相对论中最后一个尚未被验证的预言。广义相对论认为，它可以由恒星的碰撞、黑洞的形成以及宇宙大爆炸本身所产生。但是，当它们穿过遥远的距离抵达地球时，其扰动仅有最小原子核直径的约千分之一大，极端得难以探测。然而，发现引力波会使得我们研究宇宙的方式发生根本性的改变。 怀揣着这样一个目标，于是乎一整代的引力波科学家们把他们毕生的精力都花在了研发可以探测到这些极其微弱信号的仪器上。纵然花了半个多世纪来技术创新和完善进而隔绝掉哪怕是最微小的干扰，但引力波探测器虽志存高远却仍然不够灵敏。尽管这些努力已经把我们带到了做出发现的边缘，但这一不屈不挠的诉求也付出了代价。“有相当多的人已习惯性地认为，无论我们自认为看到了什么样的信号，它都必然是仪器噪声，”英国格拉斯哥大学的引力波物理学家马丁·亨得利（Martin Hendry）说。 这也正是为什么这些探测尝试的上层会偶尔地往数据中“注入”假信号，好让普通成员们忙个不停。尽管没人能完全否定他们所看到的信号只不过是一次测试，但科学家们的工作热情依然高涨。 在6个月的辛苦分析之后，每个人都相信它们所看到的是两颗恒星碰撞形成黑洞时所发出的引力波。由于它来自天空中大犬座的方向，因此科学家们给它一个代号“大狗“。在数据分析完成之前，科学家们被禁止向外界透露有关的情况，于是他们在2011年3月聚集到了美国加州来商讨下一步的举措。  [图片说明]：计算机模拟出的引力波。版权：NASA/C. Henze。 “合作团队决定，将要提交一篇论文来公布这一发现的证据，”亨得利回忆说。他当时在场见证了最后的一道坎：打开信封，看看这个究竟是不是由管理层人为加到探测系统中的。“我记得我当时在想，如果它最终确实是一个真实的信号，那整个世界会突然变得有多么得不同。” 当信封被打开——其实是PowerPoint的幻灯片——时，世界依旧。事先知道黑洞所产生的引力波会是什么样子，管理层秘密地在恰当的时间以恰当的方式对探测器做了手脚。“大狗”是一个人为的信号。 但很快就会有那么一天，我们会看到一个真实的信号。大西洋两侧的引力波探测器都正在进行重要的升级，来提高它们的灵敏度。当那一天来临时，它会为天文学们带去一种新的感知能力。 迄今，我们对宇宙的大部分认识都来自“看”——使用望远镜来收集可见光以及其他形式的电磁辐射，包括射电、红外和X射线。“现在，我们还想听一听宇宙，”意大利特伦托大学的斯特凡诺·维塔勒（Stefano Vitale）说。 捕捉引力波 那么你该如何去探测时空中的涟漪呢？位于意大利卡思契纳的Virgo干涉仪正奋战在引力波探测的最前沿。在郊外的田野里，它由两条呈直角的臂组成，每条臂长3千米。激光会同时在这两条臂中传播，通过两端的镜面来增加其传播的距离，其总长可达约100千米。 通常，这两道激光束会以相同的时间走完它们的旅程。在终点处把它们汇集到一起可以检测它们是否同步。然而，如果有引力波从其中穿过的话，它会微微地改变激光传播的路径长度，先在一条臂中，然后在另一条臂中。这意味着两束激光将不再同步，但之后又会恢复正常。 美国的激光干涉仪引力波天文台（LIGO）使用了相同的技术。它在美国华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿各有一个探测器。Virgo和LIGO对引力波的搜寻止于2010年末，以此来进行升级，把灵敏度提高约10倍。通过比较欧洲和美国探测器间的信号，物理学家们可以三角定位引力波入射的方向并确定其源头。 当这三个探测器在2016年重新开始运转时，参与其中的科学家们相信，做出第一个发现只是时间问题。“我们预计会在2016年末或2017年初达到足够的灵敏度，探测到一些东西的几率应该会变大，”亨得利说。 与第一次探测到引力波带来的喜悦一样，工作还远没有结束。与电磁波谱涵盖了从射电和微波到可见光和γ射线类似，引力波谱也有其多样性。不同的天体会产生各种波长的引力波。在地球表面并不能探测到所有的引力波。 地面上的探测器只能探测频率较高的引力波，它们可能是由超新星爆发或者恒星碰撞形成小型黑洞所产生的。 如果我们希望探测到因星系碰撞的过程中超大质量黑洞并合或者进食所产生的引力波，那就需要把探测器送入太空。在那里，频率较低的引力波才不会被地球内部的震动所掩盖。 2015年7月，欧洲空间局（ESA）将发射LISA探路者探测器。建造来测试有关的探测技术，它是打造一个成熟的空间引力波探测任务所需的关键性的第一步。 位于LISA探路者心脏处的是两个完全相同的金属立方体，每一块都由2千克的金和铂构成。这两颗金属心脏并不会跳动；相反，它们十分寂静。“它们将会是太阳系中最安静的东西，我是指真正的安静。之前还没有制造出过这么安静的东西，”这一任务的首席科学家维塔勒说。 这些检验质量在发射时会被紧紧夹住，一旦进入轨道就会被释放。之后，它们就会在舱内自由地飘动，彼此间隔约35厘米。 被修改的引力 LISA探路者的激光会监视它们的相对运动变化。它可以探测到小到十亿分之一个毫米——1皮米（10-12米）——的距离变化。比之前ESA制造的传感器——用于从轨道上来测量地球重力场的GOCE任务——还精确100倍。 如果LISA探路者一切顺利的话，下一次这些检验质量再次飞行之时便是在2028年或者2034年完全的LISA发射之日。到那时，与仅间隔35厘米不同，3个不同探测器里的检验质量会相距500万千米。在这个距离上，它们会使用各自的激光来探测当引力波穿过时彼此之间距离的微小变化。 这会让每个引力物理学家都极为高兴；更不要提为他们提供了大量可用来分析的数据了。然而，就在一刹那间，LISA探路者被赋予了比任何人最初想象的还要多的科学内涵。 随着一小组且正在壮大的科学家和工程师的加入，LISA探路者将不再仅仅是一个技术演示任务。它有可能会成为自1919年以来最伟大的引力实验。当时英国天体物理学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）证实了爱因斯坦的广义相对论，后者拓展了牛顿的引力理论并且包含了爱因斯坦自己的狭义相对论。 在一次日全食的过程中，爱丁顿证明来自一个遥远星团的光在从太阳附近穿过时会其路径会发生弯曲。这一对星光的“透镜”效应只有在引力极强的时候才会发生。牛顿的引力定律对此没有做出预期，但爱因斯坦却准确地给出了预言。爱丁顿之所以能成功地证认它是因为当时的望远镜已经精确到了足以测量这一效应。 绝大多数物理学家都认为牛顿引力定律只会在强引力场中失效，例如在恒星、星系团或者黑洞这样的大质量天体附近。但在其他地方，则认为引力如牛顿描述的那样，会随着到星系中心距离的平方而衰减。这一想法导致了暗物质被引入，这些不可见的物质所提供的引力维系住了单个星系的转动并且把多个星系束缚在了星系团中。虽然没人知道暗物质是什么，但大部分天文学们都相信它们存在。 然而，许多观测结果也可以用另一种方式来解释，只要星系对恒星的有着比牛顿所预言的更强的引力即可。在这些“被修改的引力”中最著名的当属修改的牛顿动力学，或简称MOND。由当时在美国普林斯顿大学的莫德海·米尔格隆姆（Mordechai Milgrom）于20世纪80年代提出，MOND只在引力所造成的加速度小于某个特定的微小数值之后才起作用。 在2006年由以色列耶路撒冷希伯来大学的雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）和英国伦敦帝国学院的乔奥·马古悠（Joao Magueijo）精确地确定了这些地方所在的位置。他们的计算显示，在太阳系中的特定区域中太阳、行星和卫星的引力会相互抵消，那里被称为鞍点。
如果LISA探路者可以穿过或者靠近这些鞍点中的一个，那么其灵敏的激光系统就能在被修改引力的掌控下来检验牛顿引力定律。“如果我们看到了出乎我们预料的东西，我们就能十分肯定地说，引力并非我们想象的那样；还有‘引力+’存在，”同在伦敦帝国学院的阿里·莫扎法里（Ali Mozaffari）说。 和马古悠以及其他人一起，莫扎法里正在研究对LISA探路者任务进行拓展的可能性。距离鞍点越近，利用LISA探路者中金属立方体所做的检验精度就越高。如果能按照预期工作并且该探测器可以深入到距离鞍点50千米处，那么类似MOND这样对引力的修改就会显著地体现出来。莫扎法里在他今年最新发表的一篇论文中指出，即便是距离鞍点仍有约400千米，你仍会有一个足够的强的信号来宣告做出了新的发现。 自米尔格隆姆提出最初的设想以来，又涌现了许多不同版本的修改的引力理论。是否可以用观测到的信号来检验一种特定的理论是目前正在研究的问题。“许多人根据他们的理论做出了不同的预言，”莫扎法里说。但他说，要把一个信号和一种特定的理论真正联系上却更为困难，“这项研究还在进行中”。 如果靠近鞍点然后发现一切正常，那事情会简单一些，因为它会对修改的引力理论施加更强的限制，甚至完全排除其中的一些。 为了进行这一实验，ESA必须要在引力波探测技术已经完全被演示并被了解之后对LISA探路者任务进行拓展。维塔勒说，这一技术演示毫无疑问是该任务的第一要务。“我不会说我已经准备好去鞍点了，”他说，“如果我们必须对引力波探测器进行其他额外的测试，那仍会具有最高的优先级。” 不过，他对鞍点也很感兴趣。“它无疑是独一无二的设备，当你把一台独有的仪器放到一个独有的位置上，总能获得到些东西，”维塔勒说。 毫无疑问，LISA探路者和地面引力波探测器的升级都让人兴奋。“我亦如最初时那般的狂热，”维塔勒说，“你必须这样。如果你自己都不相信，那什么都不会发生。” 至于究竟何时能第一次探测到引力波，这是今年7月引力波会议的最后一个议题。与会的科学家们预计会是在2017年1月1日。 亨得利并不希望如此。它可能不是奥斯卡，但是作为一个苏格兰人他在那晚之前还要参加另一个派对。“我发现到那天我只能去那些附近有计算机的地方了，”他说。 |
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[New Scientist 2013年9月21日]
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