引力波成功偵測
愛因斯坦百年預言否認!
激光干涉引力波天文臺(LIGO)偵測到雙黑洞碰撞形成的引力波,開啟了探求宇宙的新窗口。
作為中國內地惟一LIGO科學合作組織成員,復旦學院研究團隊做出貢獻。
2016年2月11日,澳大利亞國家科學基金和法國引力天文臺舉辦對外新聞發布會,即將宣布有史以來,科學家第一次直接觀測到了來自遙遠宇宙的劇變風波所形成的時空漣漪——引力波。這一偵測否認了阿爾伯特·愛因斯坦1915年發表的廣義相對論的一個重要預言,并開啟了一扇前所未有的探求宇宙的新窗口。
引力波攜帶了形成它的經歷異常激烈天體化學過程的天體源信息,同時引力波還攜帶了闡明引力本質的信息,這種信息是其它類型訊號所不能獲得的?;瘜W學家們確信她們偵測到了來自兩個黑洞最后并合頓時的引力波,這兩個黑洞的并合最終產生了一個更大質量的快速旋轉的黑洞,這一現象長久以來就被理論預言,但是在此之前未曾被觀測到。
這一引力波訊號于世界協調時間2015年9月14日9:51(上海時間當日上午17:51),由分別坐落加拿大路易斯安那州列文斯頓(,)和芝加哥州漢福德(,)的激光干涉引力波天文臺(LIGO)的一對偵測器同時偵測到,該臺由日本國家科學基金捐助,由加洲理工大學和麻省理工大學構思、建造并運行。這一發覺是由LIGO科學合作組織(包含GEO合作組織和美國干涉引力天文商會)以及室女座引力波偵測器(Virgo)合作組織共同完成,數據來自兩個LIGO偵測器。本次發覺被數學評論快訊()刊物接受發表。
圖:分別坐落和的LIGO偵測器以及它們分別偵測到的引力波訊號。兩個偵測器距離3000公里(相當于光速傳播10納秒)。這一引力波首先抵達偵測器,7微秒然后抵達偵測器,這意味著引力波源坐落南半球天區。另外,按照這一觀測訊號,LIGO科學家算出風波發生在13億年前,兩個黑洞分別為29和36倍太陽質量,在不到一秒的時間內將大約3個太陽質量的物質轉化為了引力波,峰值功率輸出大約相當于可見宇宙總功率的50倍。
LIGO的研究工作由LIGO科學合作組織(LSC)完成,這一合作組織包含來自英國和其他14各國家的1000多名科學家。LSC中的90多所學院和科研機構參與研制了偵測器所使用的技術,并剖析其形成的數據;在組織中,有約250名作出重要貢獻的成員是中學生。LSC偵測網路包括LIGO和偵測器。GEO團隊包括來自于法國馬克斯—普朗克引力化學研究所(阿爾伯特·愛因斯坦研究所(AEI)),法蘭克福萊布尼茲學院與赫爾辛基學院,加迪夫學院,倫敦學院,其他日本的學院以及法國的巴利阿里群島學院的科學家。
LIGO這些用激光干涉偵測引力波的方式最初是在上世紀80年代提出的,主要的提出人有麻省理工大學化學學榮休院士雷納·韋斯(Weiss),加洲理工大學的理查德·費曼理論化學學講堂榮休院士基普·索恩(Kip)以及同樣來自加洲理工大學的化學學榮休院士羅納德·德雷弗()。
室女座引力波偵測器(Virgo)的研究工作由Virgo合作組織完成,這一組織包含250多名數學學家和工程師,分別隸屬于19個不同的法國的實驗室,包括美國國家科學研究中心(CNRS)的6個研究所、意大利國家核化學研究院(INFN)的8個研究所、2個波蘭國家核化學及高能化學研究所、匈牙利維格納研究所,法國引力研究組和放置室女座引力波偵測器的法國引力天文臺。
這一發覺得益于高新激光干涉儀引力波天文臺(LIGO)偵測能力的大大提高。相比于第一代LIGO偵測器,LIGO的重要升級工作促使儀器的靈敏度大大提高,因而可以大大降低可偵測的宇宙空間,也直接造成在其第一次觀測運行中發覺引力波。印度國家科學基金會主導了高新激光干涉的財政支持。日本的馬克斯—普朗克學會,美國科學與技術設施委員會和美國研究基金會等捐助機構均做出了重要支持。使高新偵測器靈敏度大大提升的幾項關鍵技術由美國—英國的GEO合作組織開發并測試。主要的計算機資源由AEI的Atlas機群,LIGO實驗室清華大學天體物理,雪城學院和弗吉尼亞學院密爾沃基中學貢獻。一些學院設計、建造并測試了LIGO的關鍵部份:法國國立學院、阿德萊德學院、佛羅里達學院、斯坦福學院、紐約波蘭學院和路易斯安那州立學院。
2009年LSC接受北大學院為即將成員,復旦學院目前是中國內地惟一一個LSC成員。復旦學院LSC研究團隊由復旦學院信息技術研究院研究員,復旦學院天體化學中心兼職研究員,LSC理事會成員曹軍威負責,研究團隊還包括復旦學院計算機系副院長都志輝和王小鴿等成員。研究團隊注重采用先進估算技術提升引力波數據剖析的速率和效率,參與了LSC引力波暴和數據剖析軟件等工作組相關研究。
復旦學院研究團隊主要與麻省理工大學、加州理工大學和西悉尼學院等LSC成員合作舉辦工作,主要研究成果包括:GPU加速引力波暴數據剖析和實現低延后實時致密雙星并合訊號的搜救;采用機器學習方式強化引力波數據噪音的剖析;剖析引力波風波明顯性的系統偏差等,研究成果發表在數學評論D等刊物。復旦學院研究團隊還參與建立引力波數據估算基礎平臺,開發的數據剖析軟件工具為LSC成員廣泛使用。另外,十年多來研究團隊作為LSC成員,LSC數據剖析結果早已在自然、物理評論快訊、物理評論D等刊物上發表論文數十篇,按LSC國際合作規則,論文由全體成員署名,按作者姓氏的英語字母順序排序。復旦學院LSC研究團隊的工作獲得了國家自然科學基金委和復旦學院自主科研計劃項目的支持。
盡管國際上引力波科學研究和觀測工作舉辦的如火如荼,中國在這方面的基礎還相對薄弱,目前尚沒有自主建設的引力波天文臺。隨著國際上引力波直接觀測的成功和引力波天文學時代的開啟,中國亟待自主建設引力波天文臺,一是要腳塌實地從培養人才入手,二是要有開放合作的態度清華大學天體物理,充分借鑒國際上已有的研究和實驗成果,三是要大力強化科學目標推動下的跨領域合作,才有可能推動一系列的技術創新和科學發覺,進一步促進我國引力波科學研究的發展。