引力波揭开超大黑洞形成之谜,黑洞助科学家“看见”引力波

 

天文学家宣称观测到了来自138亿年前宇宙创生大爆炸的原初“引力波”印记。这已被公认是科学史上的里程碑，但相关概念对于许多人来说仍然陌生。不要气馁，我们来帮你。下面是有关引力波的一些常见问题解答：

BICEP2的报告有何重大意义?

科学家们将会花上若干年去剖析这个发现看能得到什么结论，但我们已经可以预见到了一些重大的可能：

阿尔伯特·爱因斯坦在一百多年前预测了“引力波”，但他的计算结果显示出引力波极其微弱，以至于他认为这是几乎不可能被探测到的。尽管仍旧不算是对引力波的直接探测，BICEP2的发现却要数是证明其存在的最具有信服力的证据了。

宇宙学的标准绘景有一个理论基石需要引力波来证实——这个基石叫“暴胀”理论，描述了宇宙在其创生早期曾经历过短暂的指数膨胀过程。

暴胀期间宇宙的温度——亦即基本粒子所达到的能量尺度——比我们的任何实验室所能达到的都要高万亿倍以上，哪怕是瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织的大型强子对撞机也概莫能外。

暴胀是一种量子行为，而引力波是经典物理的一部分，因此引力波在经典与量子图像之间搭建了一座桥梁。引力波还会成为第一个证据——证明引力也像其他自然界基本作用力一样具有量子性。

引力波是什么?

根据爱因斯坦的广义相对论，引力起源自质量对空间的扭曲：在任何有质量的物体附近，空间的织构都会受到扭曲。但这个扭曲并不总是呆在那物体附近。特别地，爱因斯坦意识到这种空间的弯曲形变可以在宇宙中传播，就像地震波在地壳里传播那样。然而它与地震波不同的地方在于它可以在空无一物的太虚中传播——并且还是以光的速度。

假如有引力波在你眼前向你扑面而来，你会看到你前方的空间在上下或左右方向上时而被拉伸时而被压缩的效果。

只有暴胀能产生引力波吗?

不。任何有质量的物体的加速运动都会产生引力波。实际上我们有可能直接探测到的引力波只能是来自于天体大灾变事件，比如两个黑洞的碰撞融合。至今分布在世界各地的几个观测站都在努力寻找来自宇宙深处黑洞融合所产生的噪声。

为什么只有通过射电望远镜才能看到引力波?

暴胀所导致的引力波至今仍在在宇宙各处回荡，但现在的它们已经老态龙钟十分虚弱，而难以被直接探测到。于是科学家们转而观察所谓的“宇宙微波背景辐射”，来追溯在宇宙创生380000年后，引力波在充斥全宇宙的基本粒子浓汤当中所留下的印记。通过射电望远镜可以观测到到微波背景辐射，因而要看到引力波所导致的宇宙涟漪就只能借助射电望远镜。

为什么要在南极观测呢?

BICEP2所寄居的Amundsen-Scott南极站坐落在南极冰盖上海拔2800米的地方，那里的大气非常稀薄。空气也十分干燥，所以没有过多的水蒸气阻挡无线电波。另外，南极洲几乎没人居住，从而避免了来自手机通讯、电视广播以及其他日常电子产品的电波干扰

霍金：引力波理论意义超上帝粒子

据国外媒体报道，斯蒂芬·霍金的黑洞与宇宙起源理论为我们开启了探索时空之谜的渠道，现在这位科学家正在研究引力波理论，试图将其纳入新的理论体系中，并且认为如果引力波理论被成功突破，其意义绝不亚于希格斯玻色子(“上帝粒子”)的发现。

位于南极的BICEP2望远镜观测到疑似宇宙早期引力波现象后，许多科学家开始研究引力波理论，最新的调查结果显示，BICEP2望远镜的观测存在疑点，他们没有将银河系尘埃的影响效果进行充分考虑，由此得出了错误的结论。

BICEP2望远镜之前发现宇宙暴涨时期的引力波证据，似乎让我们看到了多元宇宙存在的可能性，科学家认为暴涨理论其实是具有争议的，现在大多数宇宙学家主张宇宙中的大部分结构拥有平滑的时空，而不是惊人费解的暴涨褶皱。

引力波的探索热潮也激起了斯蒂芬·霍金的兴趣，这位世界上最知名的科学家曾经影响了所有的宇宙理论，前不久霍金还声称其实宇宙中并不存在黑洞，我们应该称黑洞为“灰洞”。

目前，BICEP2望远镜的研究小组仍然在与欧洲空间局合作，与普朗克望远镜项目科学家一起对引力波进行观测，毕竟普朗克望远镜的数据能够减少观测上的不确定性，提供更加真实的数据。

 

研究引力波或可揭开超大质量黑洞形成之谜

据媒体报道，银河系存在不计其数的黑洞，那么黑洞是如何成长为超大质量黑洞的呢?这项研究的主要负责人有两位，分别是来自CSIRO的博士后研究员拉杨·沙能(Ryan Shannon)，以及墨尔本大学和CSIRO联合培养的博士生维克拉姆·拉维(Vikram Ravi)。

这些观测主要是英联邦工业与研究组织(CSIRO)的Parkes射电望远镜给出的引力波数据。该论文的合著者，澳大利亚科廷大学国际射电天文学数据节点中心的拉姆什·巴特(Ramesh Bhat)博士表示：“这是我们首次有机会运用引力波数据对宇宙的另外一面开展研究工作，那就是超大质量黑洞的成长。”他说：“目前已经排除了一项现有的黑洞成长模型，而接下来我们将继续对其他现有模型进行考察。”

爱因斯坦曾经预言了引力波的存在——这是一种时空的涟漪，由大质量天体的运动速度或方向发生变化时引发，这类天体中比较典型的如相互围绕运转的两个黑洞等等。当星系之间发生合并，它们各自中央的黑洞也将不可避免地相互遭遇。起先两者会像是跳华尔兹那样相互围绕运转，而最终它们两者将发生碰撞并融合。巴特博士表示：“当黑洞相遇，它们将会释放出引力波，而我们将可以探测到这种引力波的存在。”

天文学家们此前一直借助Parkes射电望远镜开展针对引力波以及一组大约20颗小型但快速旋转的天体，即脉冲星的搜寻和研究工作。脉冲星就像是走时极其精确的太空计时器。其脉冲抵达地球的时间被进行精确测量，结果显示其精度在微秒级。当引力波在时空之中传播，它会造成天体之间距离的短暂改变(膨胀或缩小)，这就将影响到脉冲星的脉冲抵达地球的时间精度。

Parkes脉冲星计时阵列(PPTA)，以及更早时期由CSIRO与斯威本大学在此之前已经积累了超过20年的数据。尽管这样的积累时间还不足以对引力波开展细致研究，但研究人员认为他们已经找对了方向。正如巴特博士表示：“PPTA的结果向我们展示了，引力波背景的噪音是很低的。”他说：“宇宙中引力波背景噪音的强弱直接反映了其中超大质量黑洞之间相互融合的频繁程度，它们的质量规模，以及它们距离我们的远近。因此如果探测显示这种引力波的背景噪音很低，这将对这一问题的解答给出一些限定条件。”

借助PPTA积累的数据，研究组对现有的4个模型进行了研究。他们的研究首先排除了其中的一项模型，该模型认为黑洞之间的相互合并是其获得质量增长的唯一途径。然而其他三项模型仍然需要之后开展进一步的研究。

黑洞帮助科学家“看见”看不到的引力波

科学家试图揭示推动黑洞合二为一的内幕

在天文学家看来，继宇宙大爆炸之后，最富有活力的事件当属两个各自旋转、具有漩涡的黑洞合并为一个更大的黑洞了。那么，是什么力量促使它们发生这样的巨变呢?

以英国剑桥大学为首的一个国际天文学家团队，揭示了宇宙中这一壮观事件，解开了数十年来描述在双星系统轨道上的两个各自旋转黑洞螺旋式碰撞的方程式。

剑桥团队发表在最新一期《物理评论快报》上的科研结果，不仅影响了之前对黑洞的研究，而且有助于加快科学家对宇宙中难以捉摸的引力波(一种由爱因斯坦广义相对论预测的辐射)的搜寻。

据物理学家组织网站日前报道，不像行星与太阳的平均距离不随时间变化那样，广义相对论预言两个黑洞彼此靠拢，并作为一个系统释放出引力波。

该论文第一作者、德克萨斯大学达拉斯分校的迈克尔博士说：“加速电荷，像电子一样，产生包括可见光波在内的电磁辐射。同样，任何时候你有一个加速质量，就可以产生引力波。”输送给引力波的能量会导致两个黑洞螺旋式靠拢，直至合并，这是宇宙大爆炸之后最有意义的事件。那种能量不像可见光那样很容易看到，而是更为难以察觉的引力波。

迈克尔博士说，尽管爱因斯坦的理论预言了引力波的存在，但人们还不能直接探测到它们。根据广义相对论，巨大的天体会扭曲环绕它们的时空，就像一个保龄球落入一片橡胶薄皮上，导致天体，即使是光线，也得沿着曲线路径前行。当两个极度密集的天体，例如中子星(这种恒星如此密集以至于原子里的质子和电子坍塌形成中子)或者黑洞，它们成对出现彼此环绕，之间的相互作用会在时空上产生波纹，也就是所谓的引力波。

迈克尔博士强调，通过一定的工具，比如是“看到”的引力波，就可以为观察和研究宇宙打开了新的窗口。光学望远镜可以捕捉可见物体的照片，如恒星和行星，而无线电和红外望远镜可以揭示肉眼看不到的更多信息。引力波为研究天体物理现象提供了一个定性的新媒介。

该论文的合著者之一、剑桥应用数学和理论物理系博士研究生大卫·杰罗萨说，“用引力波作为观测工具，可以了解数十亿年前黑洞发射这些波的特点，如质量和质量比率的信息，这些都是充分了解宇宙特性及进化的重要数据。”

据悉，今年晚些时候，当美国的激光干涉引力波天文台(LIGO)升级和欧洲Virgo实验天文台完工时，它们将首次揭示隐匿的引力波。这些观测将不仅仅证明引力波的存在，还将提供有关产生引力波的罕见信息。与此同时，“丽莎”探路者的使命就是为将在空间建立一个具有较高灵敏度的引力波探测器进行测试。

该论文合著者之一、剑桥中心理论宇宙学成员乌尔里希博士说：“我们解决的方程式将有助于预测LIGO看到双黑洞合并的引力波特性，我们期待将这个解决方案与LIGO搜集的数据进行比较。”

研究人员解开的方程式，有助于专门解释双黑洞的自旋角动量和被称为岁差的现象。研究人员解释说：“岁差现象，就像一个旋转的陀螺，随着时间黑洞双旋改变着方向，而这些黑洞自旋的行为就是理解其进化的一个关键部分。”

正如开普勒研究地球绕太阳的轨道运动和发现轨道可以是椭圆、抛物线或双曲线那样，研究人员发现，黑洞双旋根据其旋转性能，可以分为三个不同的阶段。此外，研究人员还导出有关方程式，将有助于精确跟踪这些从黑洞形成到合并的自旋相位，比以前的方法更快和更有效。

研究人员说：“采用这些解决方法，我们可以创建计算机模拟数十亿年来黑洞的演化，而以前一个需要几年模拟的现象，现在可以在几秒钟内完成。它不只是快，我们还可以从模拟结果中获得一些新的发现。”

引力波、方程式……这些将为人类带来对黑洞的新认知。现在，借助于引力波信号，人们就可以更好地解读宏大宇宙的奥秘。

美科学家提出探测引力波的新方案

据国外媒体报道，引力波是宇宙中一种神秘的能量，科学家已经发现引力波的来源主要是宇宙中恐怖的碰撞事件，比如黑洞合并、超新星事件等，这些宇宙级的天体行为能够产生强大的引力波。虽然大质量天体的碰撞、合并事件能够产生强大的引力波，但这些能量传递到地球时已经非常微弱，以至于我们需要极高精度的测量仪器才有可能探测引力波的信号，现在位于纽约自然历史博物馆天体物理学家提出了一种探测引力波的新方法，即通过观测恒星亮等的变化来寻找弥散在时空中的引力波。

阿尔伯特·爱因斯坦在广义相对论中提出了时空涟漪的概念，认为这样的涟漪如同海浪一样，也具有能量，其大小取决于产生涟漪物体的质量，质量越大的天体能够形成更强大的引力波，因此这样的引力波传递距离也比较远。在过去将近一个世纪的时间内，科学家们一直在寻找引力波的信号，但是到目前为止仍然没有直接探测到引力波的信号，研究人员只能寻找其他方法来提升激光探测装置的精度，由于引力波非常微弱，探测它的信号是非常困难的。

纽约自然历史博物馆的科学家Barry McKernan是本项研究的主要负责人，他认为强大引力波的产生前提是具有巨大的质量，如果恒星的振动频率与引力波相同，就可以吸收大量的能量，那么我们就能够探测到引力波的信号，这就像一架能够产生引力波的钢琴向外弥散出引力波，而一颗恒星附近存在相同振动频率的小提琴，两者之间会产生共振，并反馈到恒星的亮等上。天文学家如果发现恒星集群的亮等增加，那么就说明这里有强大的引力波通过。