宇宙探索｜引力波有什么用？

今朝若是要评选科学界最前沿、最热点的研究范畴，年夜大都人会把选票投给引力波，因为该范畴的科学家两年内4次捕捉来自黑洞的引力波、1次获得诺贝尔奖，而且该范畴对所有科技发财国度的研究打算发生了影响。

又见引力波

值得光荣的是，在方才曩昔的2017年10月，科学家又颁布发表，在8月17日，美国激光干与仪引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，简称LIGO)和欧洲童贞座引力波天文台（VIRGO）从两个相隔千里之地同时初次捕捉到中子星碰撞所发出的引力波。这是科学家近一年多来第5次检测到引力波，前４次是黑洞归并所发生的引力波，而此次是中子星碰撞所发出的引力波。

中子星是恒星演化到末期，经由超新星爆炸之后，可能形当作的产品之一。在其形当作过程中，恒星会蒙受猛烈的压缩，内部物质中的电子并入质子后形当作中子，最终当作为直径只有十几千米，质量倒是太阳数倍的致密星体。中子星的很多天文现象很有不雅测价值，好比中子星的密度极高，每立方厘米便可重达数十亿吨，当两个致密的中子星进一步碰撞归并时，刹时释放出庞大能量，这时天空中一些偏向的伽马射线强度会在短时候内俄然加强，发生所谓的“伽马射线暴”。

此次的发现过程是如许的：

起首，LIGO与VIRGO同时捕捉到一个持续时候为1百秒摆布的新引力波旌旗灯号，经由过程对旌旗灯号特点的阐发，科学家认为这是两颗中子星并合发生的。引力波旌旗灯号达到后年夜约1.7秒，美国国度航空航天局（NASA）的费米卫星探测到了一个伽马射线暴。因为引力波旌旗灯号和伽马射线暴统一时候来自天空统一区域，科学家认为两者必然是由统一个天文事务发生的。

随后，宿世界各地的天文学家都接到LIGO通知，纷纷动用一些最进步前辈的千里镜，好比钱德拉X射线空间千里镜、哈勃空间千里镜、甚年夜千里镜以及阿塔卡玛年夜型毫米波天线阵，对相关区域睁开不雅测。

后续的天文不雅测持续了数周，连系这1百秒摆布引力波的数据，科学家可以对这一天文学事务做出周全的描述。年夜约在1.3亿年前，长蛇座从头至尾部的“NGC4993”星系中，两个比太阳略重的中子星萍水相逢，它们刚起头相距约400千米，以每秒12圈的速度环绕彼此动弹。庞大的质量搅动着宇宙，传出一阵阵时空的涟漪——引力波。

跟着中子星越靠越近，两者转速逐渐增添到每秒2000圈，引力波的“哨音”也愈焦虑促。终于，两个中子星碰撞在一路，10亿℃的高温物质从碰撞处喷涌出来。庞大的冲击波也在穿过喷涌物质时，披发出强烈的伽马射线。这些光、宇宙射线和引力波一路，以光速行走了1.3亿年，终于来到地球，被人类察觉。

“多信使天文学”

此次捕捉到中子星碰撞所发出的引力波，对天文学研究发生里程碑式的成长。

我们常说，天文学研究是“瞽者摸象”，因为宇宙太年夜了，要领会它太难了，一种不雅测体例往往只能领会单方面的信息。从前人单凭肉眼瞻仰星辰，到伽利略初次用天文千里镜对标的目的夜空，人类不雅测宇宙的独一体例曾经就只有效眼去看，但这种不雅测受到气候前提的约束，并且很多星体是肉眼看不到的。

跟着科学的成长，人们逐渐熟悉到在可见光之外，宇宙中还存在X射线、无线电波等看不见的射线。经由过程探测它们，可以触摸到宇宙这只“年夜象”的别的一些方面，好比黑洞的引力让光线也无法逃走。人们无法看见黑洞，可是它会释放出很强的X射线，这让天文学家得以阐发黑洞的若干性质。所以，现代科学家所研究的就是“电磁波天文学”——用可见光、X射线、无线电波等分歧波段的电磁波来“看”天文现象。

然而，引力波是与电磁波素质分歧的物理现象，百年前爱因斯坦的广义相对论指出，引力波记实的是时空转变的“涟漪”，它与物质的彼此感化很是弱（不像电磁波），其携带的来自波源的信息长久不变。经由过程这种全新的物理现象，科学家又有了一种“听”天文的体例，使“电磁波天文学”会进化为“多信使天文学”，既可以操纵电磁波“看”，又可以用引力波“听”天体，而且还可以操纵电磁波“看”那些用引力波“听”到的天体。此次的“中子星碰撞”就是用这种手段来研究的——科学家仅靠引力波数据就领会了中子星碰撞的过程、确定了伽马射线暴的发源，然后操纵电磁波又“看”到此次碰撞。

接下来，科学家会用同样的手艺手段（LIGO、VIRGO）不雅察更多的黑洞、中子星归并发生的引力波，今后可能天天都有新发现。同时，多信使天文学还有两个更主要的偏向要去摸索。一是去摸索加倍微弱的引力波。按照爱因斯塔的理论，引力波旌旗灯号的强弱与发射源的质量和远近有关。今朝科学家所捕捉的引力波旌旗灯号，要么来自黑洞，要么来自近距离的中子星，都是比力轻易找到的。而宇宙中更多的引力波源自数量复杂的细姨体，好比行星、白矮星，它们勾当更频仍，但发射的引力波旌旗灯号就要弱很多。但今朝，LIGO、VIRGO的手艺还达不到能测到它们的精度。

另一个更伟年夜的方针，就是测验考试收集宇宙年夜爆炸发生的初始引力波。因为引力波不会衰减，所以初始引力波很可能还在宇宙中回荡。找到它们，或许可以或许帮人类起头熟悉宇宙发源与物质创生的奥秘，甚至有可能起头探测光发生之前的原始宇宙。

科学理论猜测，138亿年前，年夜爆炸发生之后的一段期间里，宇宙里充溢着很是热的光子、电子、质子构成的等离子态物质，它们构成了高温、高密度的带电浆云。光子在这团浆云中不竭与电子和质子发生散射，底子跑不出这锅炽热的粒子粥。所以，最初的那38万年的宇宙，我们是无法看到的。直到年夜爆炸发生38万年后，跟着宇宙膨胀和冷却，原子起头形当作，带电浆云垂垂散开，宇宙中就有了可以传布的光线（活动的光子）——这也是“电磁波天文学”可以研究的所有天文现象的“时候起点”，若是要研究这之前的工作，只能寄但愿于初始引力波。但初始引力波的频率更低，波长跟整个宇宙的标准差不多，对手艺要求更高，固然我们不知何时才能实现，但这仍是给我们带来了但愿和研究偏向。

引力波还能干什么？

最后，我们无法免俗，仍是要来会商一下引力波对于通俗人有何价值，究竟结果“宇宙时空”这种事离我们太远了。其实，科学家在摸索引力波过程中带来的科技前进，已经有不少可以或许转化为平易近用。

以宿世界上最主要的引力波探测天文台即美国的LIGO为例，它耗资数亿美元，由上千位科学家破费40年时候建当作，但今朝仍需要继续“进级”。原因就在于，引力波长短常微弱的，地壳活动的震颤、数千千米外波浪拍打岩石的声音、温度的略微上升，都可能对探测造当作影响。为了包管抗干扰能力，LIGO须把精度手艺晋升到极致。

好比，LIGO利用的镜片由高纯度的二氧化硅建造，可以或许做到每射来300万个光子，只有一个光子会被镜子接收，即只盖住了一个光子。可以说镜片甚至比空气还要通透，该手艺可以用于医疗、手机、相机；探测引力波时，LIGO激光在天文台内反射400次，光路总长度达到1600千米，但仍能做到不发散、不衰减，此中必然利用了崇高高贵的激光功率放年夜手艺，那么或许可以给无人驾驶汽车中的激光雷达供给一些借鉴；LIGO真空系统内的压强，可以做到海平面年夜气压强的一万亿分之一，如斯高水平的真空手艺，对于需要防尘的半导体加工工业应该同样有效；而LIGO的减震抗震系统，在军用导弹存储方面可以照搬应用。

那么，引力波自己能干什么？可以说，在可以或许预见的未来，引力波对于日常糊口几乎毫无用处，最多也只能给导演或者作家供给一些创作灵感，好比片子《星际迷航》、《星际穿越》以及小说《三体》中都有关于引力波的桥段。不外，当初人类最起头意识到电磁波存在时，也并没有感受到电磁波有什么用，现在，电磁波却在微波炉、手机、航空中不成或缺。由此猜测，引力波也许可以或许反复这个故事。

本文源自豪科技〈科学之谜〉杂志2018年1期