引力波的发现,为人类打开了另一扇探索宇宙的窗口。很多学者认为,引力波的探测工作今后能够摘得诺贝尔奖,然而今年3月7日,LIGO的联合创始人之一罗纳德·德雷弗(Ronald Drever)因病去世,留下了些许遗憾。
9月21日,“复旦-中植科学奖”理事会决议,第二届“复旦-中植科学奖”授予在引力波领域做出突出贡献的科学家,他们分别为麻省理工学院雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、加州理工学院基普·索恩(Kip Thorne)和加州理工学院巴里·巴里什(Barry Barish)。本文为复旦大学物理系施郁教授在新闻发布会上所做的科普介绍。
13亿年前,宇宙中有两个黑洞相互碰撞,而且并合成一个大黑洞,发出引力波。引力波以光速向四周传播,经过13亿年在各个方向的长途跋涉,于2015年9月14日穿过诞生于45亿年前的地球。在地球上,人类的演化历史,也只不过200多万年。100年多前,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)声称宇宙中存在引力波。
2002年,激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,缩写为LIGO)开始工作,13年后探测到代号为GW150914的引力波,事实上,在这个引力波到达两天前,升级后的LIGO刚开始工作,9月14日恰好捕捉到它,这是人类第一次直接探测到引力波。引力波如何被探测到?
激光干涉引力波天文台(LIGO)的探测原理基于激光干涉。LIGO包括两个同样的探测器,它们相距3002公里,分别位于美国华盛顿州与路易斯安那州。两个探测器共同工作,可排除其他信号,比如地震。每个探测器是一个巨大的迈克尔逊干涉仪,有两个互相垂直的、约4公里长的臂,构成L-形。一束激光分成两束,分别进入两臂。在每个臂中,激光被两端的镜子来回反射多次。最后两束激光再叠加起来,这就是干涉。
叠加(干涉)以后的光强决定于两臂长度差,所以用来测量两臂长度差。
2016年2月12日,LIGO合作组宣布,他们于2015年9月14日探测到了引力波,它来自一个质量为36太阳质量的黑洞与一个29太阳质量的黑洞的碰撞,然后并合为一个62太阳质量的黑洞,失去的3太阳质量转化为引力波的能量。“太阳质量”是天体质量的单位,1个太阳质量意思就是说,它的质量等于太阳的质量。2015年12月26日和2017年1月4日,LIGO又先后两次探测到黑洞并合产生的引力波。