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宇宙中確實存在引力波,引力波到底是什麼?愛因斯坦的預言被證實

13億年前,兩個黑洞正發生併合事件,這兩個黑洞的質量,分別相當於36個太陽質量和29個太陽質量,它們相互圍繞對方旋轉了數百萬年,它們速度會越來越快,距離會越來越近,最後合併成一個62個太陽質量的黑洞,其餘的3個太陽質量的能量,以光的速度向宇宙傳出引力振動。在13億年後的2015年9月14號,地球上一個簡稱LIGO的機構檢測到了這個訊號,正式確認了,這個就是愛因斯坦100多年前做出的預言——引力波,也是世界上首個探測到的引力波訊號,如果用牛頓的經典引力理論來看,引力波根本不存在。

在牛頓的時代裡,時間和空間是很簡單的東西,空間均勻地綿延,整個宇宙都應該是一成不變的,但愛因斯坦基於廣義相對論,預言了引力波的存在。愛因斯坦的廣義相對論是這樣描述的,引力波以光速迅速擴散,引力被認為是時空彎曲的一種效應,有質量的物體會使它周圍的時空發生扭曲,物體的質量越大,時空就扭曲得越厲害,時空在伸展和壓縮的過程中,會產生振動,就是引力波。我們還可以將引力波,想象成一塊石子投向水面產生的漣漪,所以引力波還有一個好聽的名字,叫做“時空漣漪”。

也就是說在宇宙中,兩個有質量的物質之間發生加速運動,就會產生時空擾動,而這種擾動帶來出的一圈圈漣漪,就是引力波。那為什麼引力波提出了這麼久,宇宙從來都探測不到呢,就連提出這一理論的愛因斯坦,都因為探測不到引力波,而否認過它的存在。其實主要還是因為巨大質量的引力波源,而發生在我們身邊的引力波現象,又小到無法捕捉,所以想要真正探測到引力波,就得往大質量的天體裡找,在上世紀60年代左右,就有人開始琢磨怎麼探測引力波。

於是出現了最早的引力波探測器,一個大鋁筒後天文,它的基本原理就是,如果引力波的頻率跟它的共振頻率一致,一如果引力波的頻率跟它的共振頻率一致,就會引起它的顯著收縮、拉伸,公認的引力波探索先驅約瑟夫·韋伯曾宣稱,用這臺機器探測到了引力波,但沒有一個同行能重複他的實驗,後來人們發展出了鐳射干涉儀為原理的探測器,其中的典型代表,就是美國的LIGO和歐洲的VIRGO。

探測到這次引力波現象的是LIGO,全稱是鐳射干涉引力波天文臺,是藉助於鐳射干涉儀,來聆聽來自宇宙深處引力波的大型研究儀器。LIGO由兩個干涉儀組成,分別位於美國漢福德區,和路易斯安那州的利文斯頓,探測到首個引力波訊號沒多久,LIGO又探測到了第二個引力波訊號,還有一次發生在2017年,震驚全世界的“1016引力波事件”。

這是來自遙遠太空1。3億年前的一次巨大撞擊,長蛇座的星系NGC4993內的兩顆中子星合併,除了產生引力波和電測輻射,在合併事件發生兩秒後,還接著發生了一次伽馬射線暴,產生的伽馬射線、X射線、可見光和紅外光,均被地球的探測器接收到,我們捕提到了來自1。3億年前的一秒鐘震動。那麼什麼樣的大質量天體,才能夠撼動產生可以被探測到的引力波呢?雙黑洞和雙中子星合併都可以,它們屬於相互作用的緻密雙星系統,還有的就是超新星爆炸,以及伽馬射線暴爆發。

引力波還有一個非常重要且獨特的性質,就是它能夠不受星際介質的遮擋,穿過行進途中的天體,穿透那些電磁波不能穿透的地方,這種獨特的穩定性,為我們帶來了很多之前,未被觀測過的天文現象資訊,甚至是提供了一些觀測極早期宇宙的方式。說不定以後可以像科幻小說中所寫的,與其他星球文明實現超遠距離通訊。

在過去的一個多世紀中,天文學發生了革命性的變化,天文觀測最初使用的是可見光,但可見光僅僅是電磁波譜上的一小部分,並非所有天體都會在這個波段產生很強的輻射,更多有用的資訊只能在射電段得到,於是出現了射電望遠鏡,繼而發現了脈衝星,類星以及其他一些極端天體現象。除此之外,還有伽馬射線、X射線、紫外和紅外觀測,都為天文帶來了新的認識,引力波的出現,也讓我們有了更多的期待。