原来你是这样的引力波 我们终于“看到”了！

核心提示

这几天，全球数十家著名天文机构宣称将发布“重大消息”，吊足了全世界的胃口。北京时间16日晚10点，这一谜底终于揭晓——多家机构宣布共同探测到由双中子星并合产生的引力波及其伴随的电磁信号。这个“大新闻”说了啥？双中子星合并引力波到底是什么？为何说它是人类首次“看到”的引力波呢？

Q1、 “大新闻”说了啥？

昨晚，数十家著名天文机构热闹了几天的的“周一晚十点见”终于揭秘——全球多国科学家16日同步举行新闻发布会宣布LIGO和Virgo探测器及其他合作伙伴今年8月探测到由双中子星合并产生的新型引力波，并同时“看到”这一壮观宇宙事件发出的电磁信号。这是人类首次探测到双中子星合并产生的引力波，也是人类历史上第一次使用引力波天文台和电磁波望远镜同时观测到同一个天体物理事件，标志着以多种观测方式为特点的“多信使”天文学进入一个新时代。

人类首次发现双中子星合并引力波  来源：央视新闻

科学界一片欢腾，微博也被刷屏，不过看看网友们的反应：

哈哈，小北君自己招供，即便是个理科生，宇宙物理这块确实也没啥机会研究，但是，只要知道下面这些，就算你是物理白痴，也可以装一下。

先来感观感受下，引力波长什么样？

这种扭来扭去的东东就是引力波。

垂直传播轴，切开引力波空间的剖面，你就明白啦。引力波就是把一堆小点点挤扁、拉长、再挤扁、再拉长的波。这些小点点代表的是空间形状，所以说，引力波的效果之一是让空间扭曲。

Q2、引力波究竟是啥？

20世纪初，爱因斯坦提出的广义相对论颠覆了所有人对于物理学的构想，把空间和时间统称为“时空”。爱因斯坦称，物体——从行星到人——都会造成其周围时空的扭曲。

广义相对论告诉我们：在非球对称的物质分布情况下，物质运动，或物质体系的质量分布发生变化时，会产生引力波。在宇宙中，有时就会出现如致密星体碰撞并合这样极其剧烈的天体物理过程。过程中的大质量天体剧烈运动扰动着周围的时空，扭曲时空的波动也在这个过程中以光速向外传播出去。因此引力波的本质就是时空曲率的波动。

>>如何理解引力波？

通俗来讲，引力波就像一个池塘中投下一枚石子所引起一圈圈的涟漪，只不过，引力波是“时空的涟漪”。

天体剧烈活动引起的时空扰动，好比在浩渺的宇宙中央投下一颗石子，历经10多亿年漫漫星系之旅，时空的涟漪最终与地球邂逅1秒。

如果假设时空为一张蹦床，上面放着一枚静止的网球。若一个人坐上蹦床，蹦床就会向下凹陷，小网球也会滚向凹陷处。且离得越近，滚得越快，这个人体重越大，网球越容易滚向凹陷处。如果用高速摄影机观测、并回放慢镜头，会发现这一扩散过程是以波动的形式进行的。

而这一波动形式，就相当于宇宙天体碰撞产生的引力波。在时空中，引起改变的物体质量越大，时空弯曲程度就越明显，产生的“引力”也更大。

引力波产生在物体加速过程中，比如恒星爆炸、黑洞碰撞，都会产生引力波。引力波会引起时空的伸缩、影响时空的结构。

虽然1916年爱因斯坦就预言了引力波，不过100年来，谁也无法证实引力波的存在，直到2016年2月，美国科学家才宣布他们于2015年9月首次探测到了引力波信号。这次引力波事件被认为印证了爱因斯坦的假说，因此也被称为“来自爱因斯坦的圣诞礼物”。

人类为了这最后1秒的相遇，苦苦探寻百年！

于是，2017年10月3日，3名为引力波发现做出重要贡献的美国科学家雷纳·魏斯、巴里·巴里什和基普·索恩，因“对于LIGO探测器和引力波探测的重大贡献”，获得了2017年诺贝尔物理学奖。

2017年诺贝尔物理学奖得主雷纳·韦斯、巴里·巴里什、基普·索恩（从左至右）的照片。他们被称为“听到宇宙的声音的人”。

Q3、引力波不是早就探测到，为何说“人类首次‘看到’引力波”？

从2015年9月至今，科学家已经五次探测到引力波，之前四次都是“双黑洞”融合所引发的引力波。

“双黑洞合并”产生的引力波仅持续一秒甚至更短时间，且检测到这些引力波难度大，就像一个人移动产生的涟漪实在太小，以至于无法在地球上检测到。

此前探测到的“引力波”是这样的↓↓↓

2015年，LIGO正准备开始探测引力波。结果在9月14日时，他们就成功探测到了引力波。

当两个黑洞合并时，它们会以极高速度相互绕转，一秒内可以绕上好几次，最终合并为一个质量更大的天体。这一过程将产生极为强烈的引力波信号，以光速向四面八方扩散。这些引力波在向地球扩散过程中快速衰减，只能被最为精密的仪器侦测到。这时候，LIGO和Virgo天文台就会派上用场。每个设施的外形都像字幕“L”一样，拥有两条长长的真空密封隧道，两端放置了悬浮反射镜。在两道隧道的交汇处，一台分体激光器分别向两个镜面发射激光。当引力波通过时，时空就会发生扭曲，激光的传播距离就会出现轻微差异。科学家可以通过确定激光到达每个反光镜的时间来检测引力波的移动。激光路径的变化非常微小：不到一个质子宽度的千分之一！

Virgo天文台

比方说，如果一股来自宇宙的引力波经过地球，LIGO实验4千米长的实验臂，就会由于空间的弯曲，一会儿变长一会儿变短。变化的幅度特别小，只有质子直径的万分之一，非常微小，难以检测。

如果把LIGO的实验臂变成几光年长，比如4.2光年长，也就是地球到比邻星的距离，那么引力波引起的长度变化，也才只有一根头发丝那么细。

2017年8月17日，LIGO(激光干涉引力波天文台)和VIRGO(欧洲“室女座”引力波探测器)共同探测到的引力波事件GW 170817，是人类首次直接探测到由两颗中子星并合产生的引力波事件。

与“双黑洞合并”产生的引力波持续时间短不同，“双中子星并合”引力波的持续时间能达到数秒、数分钟甚至数小时。这从时间上保证了科学家能用更多的时间来对引力波进行细致的观察。

双中子星并合后发出短伽马暴和巨新星辐射的示意图。

资料图：艺术家所描绘的双中子星产生的引力波现象。

另外，由于离地球较近的双中子星更容易找到，因此其合并产生的强烈电磁辐射与光学反应与双黑洞合并完全不同。届时人类不仅可以通过传统天文望远镜看到双中子星，还能将其准确定位。而且，科学家们能首次在可见光下直接观测到引力波，意味着引力波探测将迎来新时代。

通俗地说，就是本次发布颠覆了之前引力波事件中“黑洞不发光”的结论——如果说LIGO和Virgo都是专门“听”引力波的装置，此前发布的4次引力波事件都是黑洞合并造成的，发射引力波，但不发光（记得吗？轮椅上的霍金一直告诉我们，黑洞是黑的，它不发光！），但这次是两个中子星合并，它们会发光！一发光，大家就都看到了，所以才值得几十家天文台联合发布，也所以称之为“人类首次看到”。

这张由美国国家科学基金会、美国“激光干涉引力波天文台”、索诺玛州立大学和A. Simonnet提供的效果图显示的是两个合并中的中子星。新华社发

Q4、人类首次“看见”引力波意味着什么？

>>看到塑造宇宙的力量

据预测，下一个探测亮点应该是中子星、黑洞合并产生的引力波事件。乐观估计，这一激动人心的发现可能在未来一两年内就与人类见面。此外，白矮星等天体合并产生的低频引力波以及宇宙开端大爆炸产生的原初引力波，还有待进一步探寻。在这个领域，中国近年来相继提出“阿里计划”“天琴计划”和“太极计划”，在陆地和空间探测中低频和低频引力波。中科院紫金山天文台研究员韦大明说：“如果找到合适的引力波，人们将有机会为大爆炸等一系列基本物理假设找到证据。到那时，人类会以前所未有的方式看到塑造宇宙的力量。”

>>“星际穿越”或成可能

南京大学天文与空间科学学院院长周济林表示，此次研究证实，黑洞和黑洞合并仍是黑的，但双中子星合并可以发光，还能被看见。“可以大胆设想，时空穿梭、星际穿越是有可能的。”

>>检验宇宙规律的新信使

引力波与电磁波携带着天体不同类型的信息。引力波及其电磁对应体的发现，有助于科学家结合不同信息研究天体的性质，并检验宇宙的基本规律。

例如哈勃常数，它是衡量宇宙膨胀速度的重要参数。目前，可通过测量Ia型超新星、重子声波震荡、宇宙微波背景等多种方式得到其数值。然而，随着探测精度的提高，测量值的分歧越来越明显。

引力波及其电磁对应体的发现，将提供测量哈勃常数的独立渠道。“可以通过引力波波形得出波源的距离，由电磁波对应体提供红移信息，根据距离红移关系测量哈勃常数。”北京师范大学天文系教授朱宗宏说。

>>寻到宇宙“黄金之源”

“中子星合并是宇宙的‘巨型黄金制造厂’，借助引力波探究中子星，可以让人类窥见金、银等超铁元素，是如何在宇宙‘盛大焰火’中产生的。”中科院紫金山天文台副研究员金志平参加的国际团队，通过引力波光学信号的观测和光谱分析确定，中子星合并确实是宇宙中金银等超铁元素的主要起源地。

>>星际沟通？！

此次科学家们能直接检测到天体引力波，将为很多学者打开一扇验证爱因斯坦广义相对论是否正确的大门。引力波方面的研究还将为人们对星星、银河系和黑洞的认知提供前所未有的新视角。如果哪一天人类使用引力波广播，并且能解析外星人的语言编码，你将怎么做？

这一次，中国没有错过！

中国科学家带着“装备”加入“战团”

除了LIGO等国外天文机构，中国科学院紫金山天文台亦宣布：南极巡天望远镜AST3－2于今年8月追踪到一次重要引力波事件GW170817的光学对应信号。

此次事件中，中国科学家和“中国装备”有着亮眼的表现。

除了南极巡天望远镜AST3-2，国内第一颗空间X射线天文卫星慧眼望远镜等多台设备也参与观测了引力波事件。

中国科学院紫金山天文台研究员吴雪峰现场发布。杨颜慈 摄

而身在南京的中科院南极天文中心的年轻成员胡镭，是第一个注意到南极巡天望远镜AST3-2“有情况”的人。

胡镭表示，8月18日中午，南极团队获知引力波信号准确方位后，立刻调整巡天望远镜角度，把望远镜观测角度拉到极限，历时10天，每天2小时，终于在预期坐标内看到了那个宝贵的亮点。中国在南极抓住了这个机会！

而本次中国南极望远镜成功追踪并独立观测到该引力波光学信号，意味着中国天文设备正加入国际关键天文事件的直接观测。

来源：中国新闻网、新华社、果壳网、36氪

视频来源：央视新闻