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宇宙婴儿“第一声啼哭”

时间:2018-06-29 08:03来源:中国国家天文
美国哈佛-史密松天体物理中心宣布,架设在南极的宇宙微波背景辐射探测器BICEP2捕捉到了宇宙暴涨时期遗留下来的最重要的遗迹:宇宙原初引力波。 这是爱因斯
美国哈佛-史密松天体物理中心宣布,架设在南极的宇宙微波背景辐射探测器BICEP2捕捉到了宇宙暴涨时期遗留下来的最重要的遗迹:宇宙原初引力波。

  这是爱因斯坦提出了相对论以来,人类首次直接探测到的引力波信号。从而首次在引力强场中检验了爱因斯坦的引力理论。另一方面,本次探测到的引力波是宇宙婴儿时期产生的,从而在观测上首次发现宇宙暴涨的直接证据,为极早期宇宙学的研究掀开了新的篇章。这两层意义,无论从哪一方面讲,该发现都具有诺贝尔奖级别的重大意义。

  意义之一

  爱因斯坦理论的波动行为被直接证实

  广义相对论的一个根本预言

  我们知道,爱因斯坦在1915年提出了广义相对论,到目前为止已经将近100年了,但仍然是最成功的引力理论。广义相对论发表以来,已经经受了无数次的天文观测和各种实验的检验。但是几乎所有的这些检验都是在弱引力场下,检验爱因斯坦引力和牛顿引力的微小差别。而爱因斯坦引力的效应比较明显,需要在强引力场中才能发生,而这方面的检验还是非常缺乏的。

  引力波是广义相对论的一个根本预言。爱因斯坦早在1917年就根据它的场方程预言了引力波的存在。在该理论中,引力波非常类似于电磁波,也就是光。只不过光是电场和磁场的扰动传播,而引力波却是时间空间自身的扰动传播。打一个形象的比喻,如果我们把时间和空间想象成湖面的话,在没有任何扰动的情况下,湖面就是一片平静。我们的时间空间也是一样的,在没有任何物质和扰动的时候,时间空间也是平直的。但是,我们向湖里扔一块石头,你就会看到湖面上产生围绕着这块石头的涟漪,并且这些涟漪以一定的速度向外传播。时间空间也是类似的,当其中有物质的剧烈运动的话,也会产生时间空间的“涟漪”,这就是所谓的引力波。这种涟漪也以一定的速度向外传播。爱因斯坦理论认为,引力波传播的速度是和光传播的速度一样的,都是每秒钟三十万公里。

  世界上最徒劳无益的事

  正如爱因斯坦当年指出的那样,由于引力的相互作用非常弱,比我们的电磁相互作用小38个量级。因此要产生比较强的引力波非常困难。而它的探测就更加困难了。目前一般认为,能产生强引力波的只有三种情况:中子星、黑洞和宇宙诞生时期。这三个正好是宇宙中引力最强的地方,也是广义相对论效应最明显的地方。因此我们说检验引力波,就是检验强场中的广义相对论。这跟以前的弱场检验有着根本性的区别。但是正是由于引力波非常弱,传到我们地球就更弱了,实验观测起来就非常困难。因此,很多科学家都认为探测引力波是世界上最徒劳无益的事情。

  1974年发现间接证据

  但是在1974年的时候,事情发生了转机。美国普林斯顿大学的泰勒和他的学生惠斯勒利用当时实际上最大的射电望远镜发现了一个脉冲双星系统,该系统是由两颗中子星互相绕转构成的,被命名为PSR B1913+16。这是一个典型的强引力场环境。理论计算认为,该系统应该有比较强的引力波辐射。并且计算认为,由于引力波辐射,该系统由于能量损失,两颗星会离得越来越近,绕转得越来越快。经过多年观测它们绕转周期的变化,泰勒他们发现观测和爱因斯坦理论的预言完全吻合,从而在世界上首次证明了引力波的存在。但需要特别指出,这次的检验仅仅是引力波的一个间接证据,尽管如此,也足以使泰勒和惠斯勒共同获得1993年的诺贝尔物理学奖,可见引力波探测意义多么重大。

  这回直接“看到了听到了”

  而本次美国科学家利用BICEP望远镜,探测到的却是直接引力波信号。和上次间接探测的意义完全不同。这次探测到的是宇宙诞生时期,由于宇宙自身的急剧膨胀被拉出视界的量子涨落,被称为宇宙诞生的“第一声啼哭”,因此该引力波天生地携带了量子力学的信息。而我们知道爱因斯坦的广义相对论和量子理论是我们现代物理学的两块基石,他们有着各自的应用领域,前者主要应用于天体物理,如黑洞、中子星等致密天体;后者主要应用于微观世界,例如电子、质子、夸克等。但是两个理论从根本上是不能相容。因此科学家们梦寐以求的就是找到一个两种理论的效应都很强的研究对象。而早期宇宙正是这样一个系统。总之,本次直接探测到了引力波信号,对爱因斯坦引力理论是一个最强有力的支持。可以这么说,至少在经典图像中,该理论已经基本没有什么问题了。单就这一点来说,BICEP工作组的这项工作就足以获得一次诺贝尔奖了。

  意义之二

  暴涨宇宙学最关键的证据被发现

  疯狂的暴涨宇宙学假设

  需要指出的是,本次探测到了引力波意义还不止于此。原因就在于,这次探测到的引力波来自于宇宙极早期。它对宇宙学的研究意义非凡。

  众所周知,我们现在宇宙学的标准模型是所谓的热大爆炸宇宙学模型。这个模型已经经受住了无数次观测检验。但是单单有热大爆炸不足以解决所有的问题。举个简单的例子,我们的地球、太阳和我们自己是从哪里来的?所有这些都离不开宇宙密度的涨落,但是这种涨落的种子从何而来?这确实是一个重大问题。当然热大爆炸还存在其它各种各样的疑难。因为太学术化了,我这里就不一一列举了。1981年,美国麻省理工学院的阿兰古斯提出了一种暴涨宇宙学模型。这种模型认为,在热大爆炸早期,宇宙刚刚诞生不久,不知道由于什么原因,发生了一次速度无法想像的超级膨胀过程,通常被称为暴涨。在这个过程中,宇宙在10的负32次方秒的时间内膨胀了至少10的20次方倍以上。这个过程结束了以后,宇宙才开始进入普通的热膨胀阶段。

  缺少“凶器上的指纹”

  这个想法当然非常疯狂。普通人估计很难理解和接受。但是我需要特别说明的是,实践是检验真理的唯一标准,这一条也适用于物理学:实验和观测是检验物理理论的唯一标准。无论多么抽象,多么不可思议的理论,只要实验和观测发现它是对的,那它就是成功的。

  暴涨理论提出30多年以来,解决了一系列简单热大爆炸宇宙学遇到的疑难,同时也经受住了种种苛刻的观测检验。可以这么说,到目前为止,我们没有发现任何偏离暴涨模型的证据。但是这还不足以证实暴涨模型。正如有人指出的那样,你虽然在犯罪现场发现到处都是嫌疑人的指纹和足迹,但也不能给嫌疑人定罪一样。最关键的是你需要在凶器上找到他的指纹。而对于暴涨理论来说,这“凶器上的指纹”就是宇宙原初引力波。如果探测不到原初引力波,我们甚至不能够告诉暴涨具体是什么时候发生的,这样一个根本问题。

  这一回一起“抓到了”

  原初引力波的探测非常困难。虽然科学家们提出了各种各样的探测方法。但是最有效、最有可能实现的探测,还是依赖于宇宙微波背景辐射的观测。宇宙微波背景辐射(CMB)是宇宙在年龄为38万年的时候形成的。当时我们宇宙中的电子和光子脱离耦合,光子背景正式形成,这就是宇宙微波背景辐射。在这个时刻,宇宙原初引力波作为时间空间自身的扰动存在,就使得光子背景中有温度的涨落,并且还有偏振信号。特别是在偏振信号中有一类偏振被称为B-模式的偏振。这种偏振只能由引力波来产生,而不能由别的原因产生。因此在宇宙学中,探测B-模式偏振就是等价于直接探测原初引力波。而这次BICEP望远镜正是首次探测到了微波背景辐射中的B-模式的偏振信号,从而探测到了原初引力波的信息。

  至此,宇宙暴涨模型的最直接最关键的证据已经找到,可以说暴涨模型已经被证实。单从这个意义上来说,本次发现也足以获得诺贝尔奖。

  延伸阅读

  引力波天文学的未来

  但是,这并不是整个故事的结局。恰恰相反,对于引力波领域来说这仅仅是一个开始。人们寻找引力已经经历了数十年的历史。但是一直缺乏直接的探测结果。因此,人们普遍是这样认为的,如果在未来10年之内还是找不到引力波,那爱因斯坦的引力理论至少需要做出重大修正,因此物理学理论方面将面临一场重大变革。相反,如果能够找到引力波,由于这些引力波必然来自于天体物理对象,这将开拓一门新的学科,即引力波天文学(以前的所有天文观测说到底都是基于对光的观测),这个新的学科将利用新的探测手段,即引力来研究各种致密的天体,包括中子星、黑洞和宇宙大爆炸等。

  事实上,目前对引力波的直接探测,国际上公认的主要有三种方式,分别针对不同的引力波源—

  其一,通过宇宙微波背景辐射的极化(主要是B模式的极化),来探测宇宙原初引力波,主要由欧洲与美国科学家在竞争。这次探测就属于这种情况。

  其二,通过宇宙中的脉冲星信号残差,来探测宇宙中的超大质量黑洞产生的引力波,该领域国际上主要由澳大利亚的PPTA组、欧洲的EPTA组和美国的NANOGrav组在竞争。目前做得最好的是澳大利亚组,虽然目前尚未探测到信号,但预计在未来5-10年之内,该方法应该就能真正探测到信号。我国在建FAST望远镜和参与SKA计划探测引力波,均属于此列。


  其三,激光干涉仪引力波天文台,目前正在运行的主要有美国的LIGO和欧洲的VIRGO,两个目前已完成使命,正在系统升级之中,预计2016年左右可以升级完成。升级以后,它们应该可以看到中子星或者小黑洞并和所产生的引力波辐射。此外,还有欧洲的空间激光干涉引力波天文台LISA,预计2020年或者更晚一些可以发射并投入运行。

  现在可以这么说,如果这次BICEP的观测最终被证实的话,那引力波天文学这扇沉重的大门就终于向我们打开了。可以预见,在未来,该领域必然是一片坦途。我们期待在不久的将来,它能给我们理解黑洞和宇宙诞生等宇宙中最神秘的天体和事件带来更多的惊喜。
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