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全球首次!科學家或將揭示宇宙誕生的秘密:FAST世界級發現
2023/07/30

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《環球時報》在6月29日在線報道了中國科學院國家天文台等單位科研人員組成的中國脈沖星測時陣列研究團隊利用中國天眼FAST,探測到了納赫茲引力波存在的關鍵性證據,表明中國納赫茲引力波研究達到了國際先進水平,而這項研究,或將揭開宇宙起源的秘密!

納赫茲引力波:FAST研究中的「副產品」

6月29日在線發表于《天文與天體物理研究(RAA)》期刊上的論文顯示,中國天文學家在納赫茲引力波研究方面取得了重大突破,中國科學院國家天文台領銜的中國脈沖星測時陣列(CPTA)研究團隊通過分析中國天眼3年5個月的數據,發現了納赫茲引力波存在的關鍵證據——具有納赫茲引力波特征的四極相關信號,誤報率小于50萬分之一。

這距離納赫茲引力波只有一步之遙了,接下來CPTA團隊將非常有希望率先確定納赫茲引力波的主要物理來源!

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這次發現是自2016年發現黑洞合并以來在引力波方向上最重大的發現,中國科學家在引力波研究領域重大突破!

中國科學院院士蔡榮根表示,下一步一個關鍵的問題是去確定引力波譜指數。「如果譜指數是-2/3,則可以肯定探測到的引力波源是超大質量雙黑洞系統,這是首次觀測到宇宙中存在這樣的超大質量雙星系統,對理解這些雙星系統的形成和演化具有重要的意義。

引力波:時空的漣漪,愛因斯坦100年前就曾預言

100多年前愛因斯坦的廣義相對論發表,時空從牛頓絕對時空進入到了相對時空觀,意外的引出了一個推論,時空是可以彎曲的,有質量的物體在時空中加速運動就會引起時空的「漣漪」,就像水丟進了平靜的池塘一樣,水波紋會一圈圈向周圍擴散。

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宇宙中有數不清的天體,其中也不乏大質量天體,特別是巨無霸黑洞,它們之間的互相環繞、慢慢靠近到最后合并,按廣義相對論的推論,那麼我們就有可能檢測到引力波,但將近100年來一直都未能突破,科學家也想了驚為天人的辦法。

宗教信仰一般的韋伯桿

熟悉天文學的朋友一定知道一個叫做韋伯桿的東西,這是一根長2米,直徑1米的鋁質實心圓柱,用細鋼絲懸掛起來在真空容器中,1960年代時馬里蘭大學的物理學家約瑟夫 ·韋伯設計和建造了這種用于檢測引力波的設備,通過壓電傳感器能夠檢測圓柱體長度約 10^-16米的變化,當引力波的漣漪擾動時空時,就能檢測到其中的變化,從而發現引力波。

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但如大家所料,這個尺度檢測對于當時的技術而言顯然是一件不可能達成的事情,而且韋伯老兄還把數據算錯了,他設計的韋伯桿絕對探測不到引力波,盡管1967年時候韋伯稱探測到了引力波,但并不能確認結果,此后的韋伯猶如宗教信仰一般堅持他的實驗,最終也不了了之。

從進展到突破:人類科技的進步

20世紀70-80年代,引力波的存在通過觀測脈沖雙星系統的軌道變化得以間接證實,并獲得了1993年諾貝爾物理學獎。但真正的突破還是在2015年,美國LIGO與VIRGO激光干涉引力波天文台宣布在百赫茲頻段探測到恒星級質量雙黑洞并合產生的引力波,并因此獲得了2017年諾貝爾物理學獎。

2017年8月,美國激光干涉引力波天文台又探測到了兩個中子星并合產生的引力波,這次的突破是除了引力波信號以外,還在全頻段的電磁輻射也被觀測到了,這個意義可不是一般的大,因為這將預示著「全波段多信使」

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天文學時代的到來。

LIGO與VIRGO激光干涉引力波天文台的原理并不復雜,利用激光干涉原理,將一束激光經過分光后分別在兩個相隔90度、相距大約4千米的光路上反射約300次,相將每束激光的行進距離從4 km增加到1200 km,這大大增加了有效臂長,提高了設備的靈敏度。

最終這束激光被匯聚到一起,兩條路徑的程差使得兩個激光束在從分光器通向光探測器之間的輸出支路產生相消性干涉,此時在終端的光探測器不會量度到激光束的輻照度。當有任何引力波通過干涉儀時,干涉臂就會因應變響應而出現長度變化,從而使得程差被改變,因此光探測器會量度到激光束的輻照度有所改變。

這就是激光干涉的探測引力波的原理,各位可以想象一下,在等效長度超過1200千米的光干涉路徑下才檢測到了距離地球約13億光年處的兩個質量分別為36太陽質量與29太陽質量的黑洞并合,當初韋伯老兄的2米長的鋁棒簡直就是開玩笑,估計比鄰星(4.2光年)位置黑洞合并才能讓這根鋁棒產生可探測的變化。

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自2015年以來LIGO等探測器發現的引力波信號(圖片來源于LIGO)

想要探測更低頻的引力波:臂長至少也要光年計

引力波天文學觀測是一個新課題,目前全球都在大量投入人力物力來開啟這扇人類科技進步后才打開的大門,特別是在2015觀測到引力波以后,各國都在投入建設引力波天文台,中國也不例外,但隨著需要檢測的引力波頻率降低,需要力臂更長的干涉臂來實現,地面上已經很難找到這樣的場所,科學家把眼光投向了太空。

中國的天琴計劃就是天基引力波探測一個項目,這是三顆位于10萬千米的高地球軌道上的衛星組成的星座,三顆相距11.5萬千米的衛星用激光組成「干涉平台」,如此長的干涉臂將能探測到大質量黑洞雙星環繞、極限質量比恒星環繞以及恒星級黑洞雙星環繞等產生的低頻引力波。

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天琴計劃示意圖

但是要探測更低頻率的引力波呢?很簡單,需要更長「干涉臂」的引力波探測天文台,太陽系軌道?其實就算是太陽系級別也只是數億至數十億公里而已,科學家想要探測的引力波,得光年級,甚至成百上千光年的「干涉臂」,顯然這是人類所不具備的,太陽系探測器還可以發射一下,但要跨越光年,至少目前的火箭技術毫無辦法!

不過科學家想到了另一條路,使用信號間隔極其精確的脈沖星,這種恒星在超新星爆發中坍縮而成的中子星,剛好有部分中子星將磁軸指向了地球,這些發射出高能電磁波的中子星被當成了宇宙中的「燈塔」,而旋轉速度很高又極端穩定的脈沖星這次還成了科學家檢測引力波最佳的、跨越光年的「干涉臂」。

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科學家利用射電望遠鏡觀測多顆脈沖星,觀察它們在長周期上的脈沖變化,因為納赫茲級別的引力波變化周期可能長達數年,只有長期觀察記錄才能發現周期變化,用大型射電望遠鏡能觀察到更多、信號更弱的FAST就有了更大的優勢。

這次中國天文學家利用FAST射電望遠鏡在3年5個月的中獲得的脈沖星信號數據,發現了納赫茲引力波存在的關鍵證據——具有納赫茲引力波特征的四極相關信號,誤報率小于50萬分之一,這是一個相當大的突破,恭喜中國科學家!

脈沖星引力波探測「矩陣」:窺探宇宙大爆炸的「窗口」

看完上文的朋友一定有點懵圈,這費盡心機檢測到引力波就是為了研究黑洞并合、雙星互繞,雙黑洞齊舞?確實有部分原因如此,科學家對這些天體非常感興趣!

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但研究引力波卻不只是研究這些天體,因為這還是能窺探到宇宙大爆炸誕生「源頭」的唯一「信使」,原因很簡單,宇宙的「源頭」只有引力波才能「看到」。

三個窗口:看到宇宙「盡頭」

望遠鏡是科學家觀測恒星、研究天體的重要工具,比如哈勃望遠鏡、詹姆斯·韋伯望遠鏡等,這些為大家帶來宇宙深處天體的望遠鏡是科學家研究宇宙的一個重要工具!那麼問題來了,除了這些光學望遠鏡,不是還有人說射電望遠鏡又是怎麼回事?

原因是這樣的,能發出信號的都是具有「溫度」的,隨著溫度的提高,這些天體會發出從電磁波到伽馬射線的任意波段輻射,光學波段只是這個電磁波輻射波段中極小的一部分,比可見光頻率更高的是紫外光、X光波段和伽馬射線波段,而比可見光更低的是紅外波段、太赫茲波段和高頻、低頻電磁波段。

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科學家的觀測宇宙就是用這些射電望遠鏡、紅外觀測(詹姆斯·韋伯望遠鏡)、可見光(哈勃望遠鏡)、X射線望遠鏡(錢德拉X射線望遠鏡)和伽馬射線觀測(雨燕伽瑪射線暴的天文衛星),下面簡單說說能看到宇宙最遠處的探測手段:

可見光觀測衛星最弱雞,因為宇宙不斷膨脹讓很多恒星和星系的光波長被拉長進入了紅外領域,因此從宇宙年齡紀年角度來衡量的話,大約是134億年前,對應的大約是300億光年外,再向外就得紅外波段觀測了,大約能到136年前,對應的距離大約330~400億光年左右。

再遠的位置紅外也無能為力了,因為宇宙大爆炸后有很長一段時間內沒有恒星,只有一片塵埃密布的空間,不過在更低的電磁波段卻能觀測到一片宇宙大爆炸時的余輝,這就是微波背景輻射,這是宇宙誕生極速膨脹后的冷卻、光子可以自由穿梭的那一刻,也就是宇宙大爆炸發生后的38萬年,對應到目前的距離,大約是461億光年,這是在電磁波段可以觀測到最遙遠的距離。

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天文學家認為,根據目前觀測到的哈勃常熟推測的可觀測宇宙直徑大約是930億光年,461億光年外已經距離大爆炸誕生的那一刻只有4億光年,此時電磁波已經無法看到,因為那會的光子包裹在一團等離子體中完全無法出來,只有穿透力最強的中微子觀測才可以。

從理論上看,中微子天文可以觀測到大爆炸后1秒后左右的宇宙,因為這是中微子退耦的時間,要再觀測到大爆炸發生的那一刻,中微子也沒辦法了,只有在大爆炸發生后,四大作用力中最先誕生的引力在巨大能量質量的混沌中誕生引力波才能窺探到宇宙誕生的那一刻。

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在引力誕生以前,人類的一切探測手段都束手無策!但隨著138億年的膨脹,以接近光的速度遠離,這些引力波的波長可能已經被拉長到光年甚至數十光年甚至更長,在如此尺度上要檢測到這種引力波,數百年甚至上千光年距離組成的脈沖星「陣列」顯然是最合適的。

因此我們可以樂觀的推測一下,中國科學家發現納赫茲引力波存在的「痕跡」,基本上就是開啟了探測宇宙誕生那一刻的大門,宇宙誕生的探索從此將變得可望可及。

這個探索就像經典美劇中的場景:《星際之門-宇宙》中最后那一刻,命運號關閉一切額外的耗能設備,準備以前所未有的休眠時間與低耗能穿越宇宙的虛空,直接航向宇宙誕生的那一刻,在那個宇宙的「盡頭」到底有什麼?

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