宇宙探索｜引力波有什么用？

今朝若是要評選科學界最前沿、最熱點的研究范疇，年夜大都人會把選票投給引力波，因為該范疇的科學家兩年內4次捕捉來自黑洞的引力波、1次獲得諾貝爾獎，而且該范疇對所有科技發財國度的研究打算發生了影響。

又見引力波

值得光榮的是，在方才曩昔的2017年10月，科學家又頒布發表，在8月17日，美國激光干與儀引力波天文臺(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，簡稱LIGO)和歐洲童貞座引力波天文臺（VIRGO）從兩個相隔千里之地同時初次捕捉到中子星碰撞所發出的引力波。這是科學家近一年多來第5次檢測到引力波，前４次是黑洞歸并所發生的引力波，而此次是中子星碰撞所發出的引力波。

中子星是恒星演化到末期，經由超新星爆炸之后，可能形當作的產品之一。在其形當作過程中，恒星會蒙受猛烈的壓縮，內部物質中的電子并入質子后形當作中子，最終當作為直徑只有十幾千米，質量倒是太陽數倍的致密星體。中子星的很多天文現象很有不雅測價值，好比中子星的密度極高，每立方厘米便可重達數十億噸，當兩個致密的中子星進一步碰撞歸并時，剎時釋放出龐大能量，這時天空中一些偏向的伽馬射線強度會在短時候內俄然加強，發生所謂的“伽馬射線暴”。

此次的發現過程是如許的：

起首，LIGO與VIRGO同時捕捉到一個持續時候為1百秒擺布的新引力波旌旗燈號，經由過程對旌旗燈號特點的闡發，科學家認為這是兩顆中子星并合發生的。引力波旌旗燈號達到后年夜約1.7秒，美國國度航空航天局（NASA）的費米衛星探測到了一個伽馬射線暴。因為引力波旌旗燈號和伽馬射線暴統一時候來自天空統一區域，科學家認為兩者必然是由統一個天文事務發生的。

隨后，宿世界各地的天文學家都接到LIGO通知，紛紛動用一些最進步前輩的千里鏡，好比錢德拉X射線空間千里鏡、哈勃空間千里鏡、甚年夜千里鏡以及阿塔卡瑪年夜型毫米波天線陣，對相關區域睜開不雅測。

后續的天文不雅測持續了數周，連系這1百秒擺布引力波的數據，科學家可以對這一天文學事務做出周全的描述。年夜約在1.3億年前，長蛇座從頭至尾部的“NGC4993”星系中，兩個比太陽略重的中子星萍水相逢，它們剛起頭相距約400千米，以每秒12圈的速度環繞彼此動彈。龐大的質量攪動著宇宙，傳出一陣陣時空的漣漪——引力波。

跟著中子星越靠越近，兩者轉速逐漸增添到每秒2000圈，引力波的“哨音”也愈焦慮促。終于，兩個中子星碰撞在一路，10億℃的高溫物質從碰撞處噴涌出來。龐大的沖擊波也在穿過噴涌物質時，披發出強烈的伽馬射線。這些光、宇宙射線和引力波一路，以光速行走了1.3億年，終于來到地球，被人類察覺。

“多信使天文學”

此次捕捉到中子星碰撞所發出的引力波，對天文學研究發生里程碑式的成長。

我們常說，天文學研究是“瞽者摸象”，因為宇宙太年夜了，要領會它太難了，一種不雅測體例往往只能領會單方面的信息。從前人單憑肉眼瞻仰星辰，到伽利略初次用天文千里鏡對標的目的夜空，人類不雅測宇宙的獨一體例曾經就只有效眼去看，但這種不雅測受到氣候前提的約束，并且很多星體是肉眼看不到的。

跟著科學的成長，人們逐漸熟悉到在可見光之外，宇宙中還存在X射線、無線電波等看不見的射線。經由過程探測它們，可以觸摸到宇宙這只“年夜象”的別的一些方面，好比黑洞的引力讓光線也無法逃走。人們無法看見黑洞，可是它會釋放出很強的X射線，這讓天文學家得以闡發黑洞的若干性質。所以，現代科學家所研究的就是“電磁波天文學”——用可見光、X射線、無線電波等分歧波段的電磁波來“看”天文現象。

然而，引力波是與電磁波素質分歧的物理現象，百年前愛因斯坦的廣義相對論指出，引力波記實的是時空轉變的“漣漪”，它與物質的彼此感化很是弱（不像電磁波），其攜帶的來自波源的信息長久不變。經由過程這種全新的物理現象，科學家又有了一種“聽”天文的體例，使“電磁波天文學”會進化為“多信使天文學”，既可以操縱電磁波“看”，又可以用引力波“聽”天體，而且還可以操縱電磁波“看”那些用引力波“聽”到的天體。此次的“中子星碰撞”就是用這種手段來研究的——科學家僅靠引力波數據就領會了中子星碰撞的過程、確定了伽馬射線暴的發源，然后操縱電磁波又“看”到此次碰撞。

接下來，科學家會用同樣的手藝手段（LIGO、VIRGO）不雅察更多的黑洞、中子星歸并發生的引力波，今后可能天天都有新發現。同時，多信使天文學還有兩個更主要的偏向要去摸索。一是去摸索加倍微弱的引力波。按照愛因斯塔的理論，引力波旌旗燈號的強弱與發射源的質量和遠近有關。今朝科學家所捕捉的引力波旌旗燈號，要么來自黑洞，要么來自近距離的中子星，都是比力輕易找到的。而宇宙中更多的引力波源自數量復雜的細姨體，好比行星、白矮星，它們勾當更頻仍，但發射的引力波旌旗燈號就要弱很多。但今朝，LIGO、VIRGO的手藝還達不到能測到它們的精度。

另一個更偉年夜的方針，就是測驗考試收集宇宙年夜爆炸發生的初始引力波。因為引力波不會衰減，所以初始引力波很可能還在宇宙中回蕩。找到它們，或許可以或許幫人類起頭熟悉宇宙發源與物質創生的奧秘，甚至有可能起頭探測光發生之前的原始宇宙。

科學理論猜測，138億年前，年夜爆炸發生之后的一段期間里，宇宙里充溢著很是熱的光子、電子、質子構成的等離子態物質，它們構成了高溫、高密度的帶電漿云。光子在這團漿云中不竭與電子和質子發生散射，底子跑不出這鍋熾熱的粒子粥。所以，最初的那38萬年的宇宙，我們是無法看到的。直到年夜爆炸發生38萬年后，跟著宇宙膨脹和冷卻，原子起頭形當作，帶電漿云垂垂散開，宇宙中就有了可以傳布的光線（活動的光子）——這也是“電磁波天文學”可以研究的所有天文現象的“時候起點”，若是要研究這之前的工作，只能寄但愿于初始引力波。但初始引力波的頻率更低，波長跟整個宇宙的標準差不多，對手藝要求更高，固然我們不知何時才能實現，但這仍是給我們帶來了但愿和研究偏向。

引力波還能干什么？

最后，我們無法免俗，仍是要來會商一下引力波對于通俗人有何價值，究竟結果“宇宙時空”這種事離我們太遠了。其實，科學家在摸索引力波過程中帶來的科技前進，已經有不少可以或許轉化為平易近用。

以宿世界上最主要的引力波探測天文臺即美國的LIGO為例，它耗資數億美元，由上千位科學家破費40年時候建當作，但今朝仍需要繼續“進級”。原因就在于，引力波長短常微弱的，地殼活動的震顫、數千千米外波浪拍打巖石的聲音、溫度的略微上升，都可能對探測造當作影響。為了包管抗干擾能力，LIGO須把精度手藝晉升到極致。

好比，LIGO利用的鏡片由高純度的二氧化硅建造，可以或許做到每射來300萬個光子，只有一個光子會被鏡子接收，即只蓋住了一個光子。可以說鏡片甚至比空氣還要通透，該手藝可以用于醫療、手機、相機；探測引力波時，LIGO激光在天文臺內反射400次，光路總長度達到1600千米，但仍能做到不發散、不衰減，此中必然利用了崇高高貴的激光功率放年夜手藝，那么或許可以給無人駕駛汽車中的激光雷達供給一些借鑒；LIGO真空系統內的壓強，可以做到海平面年夜氣壓強的一萬億分之一，如斯高水平的真空手藝，對于需要防塵的半導體加工工業應該同樣有效；而LIGO的減震抗震系統，在軍用導彈存儲方面可以照搬應用。

那么，引力波自己能干什么？可以說，在可以或許預見的未來，引力波對于日常糊口幾乎毫無用處，最多也只能給導演或者作家供給一些創作靈感，好比片子《星際迷航》、《星際穿越》以及小說《三體》中都有關于引力波的橋段。不外，當初人類最起頭意識到電磁波存在時，也并沒有感受到電磁波有什么用，現在，電磁波卻在微波爐、手機、航空中不成或缺。由此猜測，引力波也許可以或許反復這個故事。

本文源自豪科技〈科學之謎〉雜志2018年1期