菜单总览

科学家成功探测重力波 港中大物理系黎冠峰教授参与其中

  • 2016.02.16
  • 新闻
原标题: 科学家成功探测重力波 爱因斯坦百年预言终获证实 中大物理系黎冠峰教授参与其中 唯一一位来自香港院校的科学家

       重力波(Gravitational Waves)是爱因斯坦广义相对论最重要的预言之一,科学家一直追寻重力波是否存在,但其极微弱的波动是物理学史上最难捉摸的现象之一。近日关于科学家已成功探测到重力波的传言不绝于耳。在爱因斯坦提出此预言的100年后,专门为探测重力波而建立的激光干涉仪重力波观测站(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory,简称LIGO)合作组于2月11日正式宣布,两个探测器已成功探测到两个黑洞在13亿年前合并时所产生的重力波,为人类进一步揭开宇宙起源之谜奠下重要的里程碑。香港中文大学(中大)物理系研究助理教授黎冠峰教授自2009年开始就参与LIGO的研究工作,是LIGO合作组中唯一一位来自香港院校的科学家。 

       LIGO由美国国家科学基金会斥巨资资助,并由加州理工学院和麻省理工学院构思、建造及操作,于2001年正式投入运作。LIGO合作组集合逾1,000名来自超过90间大学及研究机构的科学家一起参与发展相关的探测技术及分析数据。LIGO于2015年完成升级工作,成为Advanced LIGO,探测仪器的灵敏度获大大提升,促成了是次的重力波发现。中大物理系本科生刘家栋亦于去年暑假前往加州理工学院跟从黎冠峰教授参与LIGO的研究工作。 

       黎冠峰教授表示:「能够成功探测重力波,我感到兴奋莫名!然而这只是一个开始,为我们打开了探索宇宙的窗户,成为科学界的一个转折点,也代表我们正式踏入天文学的新纪元。」 

       爱因斯坦的广义相对论颠覆了我们对空间、时间,以至对宇宙的看法。时至今天,此重要理论仍让科学家能准确地描述天体运动及各种各样的天文现象。根据广义相对论,假如两个距离很近的大质量天体(如黑洞或中子星)互相围绕或碰撞,周围的时空就会被扭曲,并产生波纹,称为重力波。LIGO成功探测重力波,说明了时空可以扭曲及压缩,成为黑洞、宇宙暴胀和大爆炸等理论的强力证据。 

       是次重力波信号是于美国东部夏令时间2015年9月14日凌晨5:51分(香港时间当天下午5:51分),由两台分别位于路易斯安那州列文斯顿(Livingston, Louisiana)和华盛顿州汉福德(Hanford, Washington)的LIGO探测器所探测到,结果已获《物理评论快讯》期刊(Physical Review Letters)接受发表。 

       基于观测到的信号,LIGO的科学家估算出两个合并黑洞的质量大约分别是太阳质量的29和36倍,合并发生于13亿年前(距离地球13亿光年外)。大约3倍于太阳质量的物质在短短1秒之内被转化成重力波,其功率峰值是整个可见宇宙总功率的50倍。这一束重力波首先到达Livingston探测器,7毫秒之后到达Hanford探测器,表示重力波源位于南半球天区。 

       黎冠峰教授于2月12日及2月19日下午分别主持两场公开讲座《爱因斯坦的信使:探视宇宙的新窗户》,相关新闻链接:http://www.cpr.cuhk.edu.hk/cutv/  

 

黎冠峰教授简历 

       黎冠峰教授生于香港,于剑桥大学自然科学系获得学士与科学硕士学位(2009),并从荷兰亚原子物理学国家研究所(Nikhef)/阿姆斯特丹自由大学获得物理博士学位(2013)。黎教授在2015年加入香港中文大学,此前他以Rubicon 博士后奖金得奖者的身份在加州理工学院完成了两年的博士后研究,专研重力波物理。从2009年开始,黎教授就参与Virgo 与 LIGO的研究项目,曾获2013年度Stefano Braccini 国际最佳重力波物理论文奖。 

如有兴趣了解更多资料,请参阅以下网页:
•        LIGO Lab: https://ligo.caltech.edu/ 
                          (Observatories: Livingston | Hanford)
•        Advanced LIGO: https://www.advancedligo.mit.edu/
•        LIGO Scientific Collaboration: http://www.ligo.org/
•        黎冠峰教授网页:http://www.phy.cuhk.edu.hk/~tgfli/

 

        LIGO直接探测到两个黑洞在合并时所产生的重力波(图片來源:Aurore Simonnet, E/PO Sonoma State University)

LIGO官方新闻稿中译本(所有内容概以英文版本为准):

       LIGO探测到双黑洞碰撞产生的重力波 打开了观察宇宙的新窗口 

       有史以来,科学家第一次观测到时空结构中的涟漪——称为重力波(gravitational waves),是来自遥远宇宙中发生的灾变性事件所产生的信号。重力波的发现证实了爱因斯坦在1915年提出的广义相对论中一个重要预言,为探索宇宙打开了一扇前所未有的新窗口。 

       重力波是了解很多宇宙现象的唯一途径,包括引致重力波的剧烈物理活动,以及万有引力的本质等。物理学家们确定他们所探测到的重力波,是来自两个黑洞合并的最后瞬间所引发的,这两个黑洞最终形成了一个更大质量而快速旋转的黑洞。有关黑洞碰撞的预言及理论一直都存在,但在此之前却一直没被观测到。 

       是次重力波信号是于美国东部夏令时间2015年9月14日凌晨5:51分(香港时间当天下午5:51分),由一对分别位于路易斯安那州列文斯顿(Livingston, Louisiana)和华盛顿州汉福德(Hanford, Washington)的激光干涉仪重力波观测站(LIGO)探测到。LIGO是由美国国家科学基金资助,并由加州理工学院和麻省理工学院构思、建造及操作。是次重要发现是由LIGO科学合作组(包括GEO合作组及澳洲干涉引力天文协会)及Virgo合作组使用两台LIGO探测器所得出的数据而完成的,已获《物理评论快讯》期刊(Physical Review Letters)接受发表。 

       基于观测到的信号,LIGO的科学家们估算出两个并合黑洞的质量大约分别是太阳质量的29和36倍,并合发生于13亿年前。大约3倍于太阳质量的物质在短短1秒之内被转化成重力波,其功率峰值是整个可见宇宙总功率的50倍。这一束重力波首先到达Livingston探测器,7毫秒之后到达Hanford探测器,这意味着重力波源位于南半球天区。 

       根据广义相对论,一对黑洞在相互绕转过程中通过重力波辐射而损失能量,逐渐靠近。这一过程可持续数十亿年,并在最后几分钟里面急剧加速演化。 在最后一秒钟内,两个黑洞以几乎是一半光速的超高速度碰撞在一起,并形成了一个质量更大的黑洞。根据爱因斯坦的质能方程E = mc2,这个过程中一部分的物质转化成了能量,而这些能量在最后时刻以重力波超强爆发的形式辐射出去。此次LIGO观测到的重力波信号就源自于这样的过程。 

       20世纪70年代,罗素·赫尔斯(Russell Hulse)和约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor, Jr.) 给出了重力波存在的第一个证据。他们在1974年观测到一个脉冲星与另一个中子星相互绕转组成的双星系统。这个系统由于辐射重力波,导致脉冲星的轨道缓慢的缩小,观测到的轨道变化率与相对论的预言高度一致。赫尔斯和泰勒的这项工作获得了1993年的诺贝尔物理学奖。这个赫尔斯-泰勒双星系统将于3亿年之后并合形成一个黑洞。在最近的这个发现里,LIGO直接见证了两个黑洞组成的双星系统的寿终正寝,在双星系统形成单个黑洞的瞬间投下匆匆一瞥。 

       "我们对于重力波的观测完成了一项50年前就设定的伟大目标。那就是直接探测到这一难以捕捉的现象,让我们更好的理解宇宙,以及在爱因斯坦广义相对论100周年之际恰如其分地续写爱因斯坦的传奇。" LIGO实验室执行官,加州理工学院的戴维·莱兹 (David H. Reitze)称。 

       重力波得以发现,主要是由于LIGO完成升级工作(Advanced LIGO),探测能力获大大提升。对比第一代LIGO探测器,Advanced LIGO增强了仪器的灵敏度,从而大大增加了可探测的宇宙空间,在其第一次观测运行便发现重力波。美国国家科学基金会是Advanced LIGO的主要财政支持来源。德国的马克斯-普朗克学会、英国的科学与技术设施委员会和澳洲研究基金会等资助机构均对是次项目作出了巨大贡献。德国-英国GEO合作组织负责开发并测试提高探测器敏感度的几项关键技术;AEI的Atlas机群、LIGO实验室、雪城大学和威斯康辛大学米尔沃基分校贡献主要的计算机资源;澳洲国立大学,弗罗里达大学,史丹福大学,纽约哥伦比亚大学和路易斯安那州立大学则设计、建造并测试了Advanced LIGO 的关键部分。 

        "1992年批准LIGO最初的基金项目是NSF有史以来最大的一笔投资。" NSF主任弗朗斯 ·科多瓦(France Córdova)如是说。"那是一项有很高风险的资助,但这正是NSF需要承担的项目。我们资助一定会有所发现,但是还在探索历程上的基础科学和工程。我们资助开路先锋。这就是为什么美国依然是全球先进知识的领导者的原因。" 

       LIGO的研究工作由LIGO科学合作组织(LSC)完成,这一合作组织包含来自美国和其他14各国家的1,000多名科学家。LSC中的90多家大学和研究所参与研发了探测器所使用的技术,并分析其产生的数据;约250名做出重要贡献的成员是学生。LSC的探测网络包括LIGO干涉仪和GEO600探测器。GEO团队包括来自德国马克斯-普朗克引力物理研究所(阿尔伯特·爱因斯坦研究所(AEI))、汉诺威莱布尼兹大学与格拉斯哥大学、加迪夫大学、伯明翰大学,其他英国大学以及西班牙巴利阿里群岛大学。 

       "这个探测是一个新纪元的起点:重力波天文学研究领域现在终于不再是纸上谈兵了。" LSC发言人,路易斯安那州立大学物理与天文学教授加布里埃拉·冈萨雷斯(Gabriela González)说。 

       LIGO这种用激光干涉仪探测重力波的方法最初是在上世纪80年代提出的,主要的提出人包括MIT物理教授、荣休教授雷纳·韦斯(Rainer Weiss);加州理工学院的理查德·费曼理论物理讲座教授兼荣休教授基普·索恩(Kip Thorne)以及加州理工学院的物理教授兼荣休教授罗纳德·德雷弗(Ronald Drever)。 

       "这项发现的内容完美地被100年前爱因斯坦发表的广义相对论所描述,这也是第一次广义相对论在强引力场条件下的检验。如若爱因斯坦泉下有知,真不知道他会作何反应。"韦斯说。                                      

        "通过这项发现, 我们人类开启了一场波澜壮阔的新征程:一场对于探索宇宙那弯曲的一面——由弯曲时空而产生的事物和现象——的征程。黑洞的碰撞和重力波是首当其冲的完美范例。" 索恩说。 

       处女座重力波探测器(Virgo)的研究工作由Virgo科学合作组织完成,组织由250多名物理学家和工程师组成,分别隶属于19个不同的欧洲实验室,包括法国国家科学研究中心(CNRS)的6家研究所、意大利国立天体物理研究所(INFN)的8家研究所、荷兰国家核物理及高能物理研究所的2家研究所、匈牙利维格纳研究所,波兰引力研究组,以及Virgo重力波探测器的托管机构,位于意大利比萨(Pisa)附近的欧洲重力天文台。 

       Virgo的发言人富尔维奥·里奇(Fulvio Ricci)称:"这是物理学的重要里程碑,但更为重要的是,对于LIGO和Virgo来说,这仅仅是它们将开创的全新而激动人心的天体物理发现的开端"。 

       马克斯-普朗克引力物理研究所(阿尔伯特·爱因斯坦研究所)的所长布鲁斯·艾伦(Bruce Allen)补充道 "爱因斯坦当初认为重力波太过微弱而无法探测,并且他从未相信过黑洞的存在。不过,我想他并不介意自己在这些问题上弄错了。"

        "Advanced LIGO探测器是科学与技术上的一项壮举,汇聚了全球技术人员、工程师和科学家团队的通力合作才得以实现,"Advanced LIGO的项目领头人,来自麻省理工的戴维·休梅克( David Shoemaker)说道: "我们及时、同时也在预算内完成了这项美国国家科学基金会资助的项目,对此我们感到无比自豪。" 

       在LIGO的两个天文台中,全长4公里的L形的LIGO干涉仪将激光分成两束,并在两个干涉臂之间来回穿梭(1.2米直径的管道内保持着近乎完美的真空)。两束激光可以用来以极高的精度测量干涉臂末端镜子的位置。根据爱因斯坦的理论,当重力波经过探测器的时候,镜子之间的距离将会有一个极微小的改变。而即使这个改变量小于质子直径的万分之一(10-19 米),也可以被探测出来。 

        "为了实现这一里程碑式的美妙发现,全球的科学家们一起合作——在GEO600探测器上开发出来的激光与悬挂减震技术使得Advanced LIGO成为了有史以来人类建造的最为精妙、灵敏的重力波探测器"。 格拉斯哥大学物理与天文教授希拉·罗恩(Sheila Rowan)如是说。 

       对于重力波事件的方向定位,以及排除局部噪声、确认信号来自宇宙空间而言,独立而又地理位置相距远的天文台非常重要。 

        "但愿这第一次的观测能够推动全球重力波探测器网络的建设工作,并在多信使天文学的时代加速实现信号源的精准定位。"澳大利亚国立大学的引力物理中心主任,物理学教授 戴维·麦克莱兰(David McClelland)评论道。