捕捉引力波背后的故事(十八)

引力波带来的宇宙声光大秀

人类自古便仰望星空,用肉眼观赏、辨识满天的繁星。伽利略1在十七世纪初率先用自制的望远镜指向天体,大大地扩展了视野。麦克斯韦尔之后,物理学家知道光只是电磁波的一部分,在可见光之外还有着精彩的世界:从低能的射电、微波、红外线到高能的紫外线、X射线、伽玛射线,我们的“眼睛”越睁越大,“看到”的越来越多,对宇宙的认识也越来越全面。但直到2015年9月14日之前,我们还仅限于“仰望”,即依赖于电磁波给我们带来的“视觉”信息。

引力波是一个全新的信息载体。与在时空中传播的电磁波不同,引力波是时空本身的脉动。由于这种波动在意象上与在空气中传播的声波有一些类似之处,人们自然地将引力波与声音做类比。正如韦斯当年领悟的那样,LIGO探测到的引力波频率与他酷爱的钢琴乐声重合。在记者会上,他们也将测得的引力波信号直接播放,称之为“黑洞合并时发出的声音”。

于是,“时空乐章”、“引力波涟漪”、“宇宙回响”等与声音有关的华丽辞藻被普遍用来描述引力波的发现。虽然这只是一个类比,但人类确实是打开了一条新的“听觉”渠道:我们不再只是睁眼仰望星空,也能够同时竖起耳朵聆听天籁之音。

这便是沃格特领衔提交给国家科学基金会的申请中引述马基雅维利的诗句所体现的,LIGO的使命是革命性地“引入一个全新的秩序”。赖茨后来在记者会上稍微低调了一点,指出LIGO的成功完成了“天文学从无声电影到有声电影的过渡”。


比令在1989年开始他的引力波探测时曾向同事保证他不会在看到引力波之前死去。2016年时,101岁的比令又聋又瞎,独自住在养老院里。当后辈带着好消息来看望他时,他似乎短暂地恢复了记忆,喃喃道,“啊,引力波。我已经忘记了这么多事情。”一年后,比令去世。

虽然没到那样的高龄,进入老年的布拉金斯基退休后一直与疾病缠斗,同样挣扎着要活到看到引力波的那一天。得愿后不久,他于2016年3月29日辞世,终年84岁。他在莫斯科大学的团队一直是也继续是LIGO的一支主力部队。

德瑞福也在苏格兰的养老院中颐养天年。他已经完全陷入老年痴呆,浑然不知世事。护士将他推到转播LIGO记者会的电视机前时,似乎看到他的昏昏老眼里闪出一丝光亮。2016年9月,索恩在去欧洲领奖时特意绕道到爱丁堡拜访了德瑞福,居然还交谈了良久。德瑞福的弟弟说那是他少有的神志清醒的一天。索恩倍感欣慰地发现德瑞福明白他们已经成功探测到引力波。两个老人贴心叙旧,共同回忆当年为LIGO奋斗的岁月。

2017年3月7日,德瑞福去世,终年85岁。他的家人将其遗产五十万英镑捐献给格拉斯哥大学,设立了德瑞福奖学金,每年资助一名研究生的学业。


LIGO在2015年9月探测到引力波,经过四个多月的核实才在2016年2月11日宣布。这当然是出于他们的谨慎和负责。他们当时不会想到的是,这段拖延无意中为诺贝尔奖委员会解决了一个棘手的难题。

每年诺贝尔奖的提名截止日是1月31日。LIGO正好错过,无缘2016年的诺贝尔奖。在接下来的一年里,LIGO的成就几乎揽括了科学界所有沾得上边的奖2。这些奖项的颁奖对象略有不同,基本上都有韦斯和索恩两员主将,有些包括了德瑞福,有些则包括巴里什,还有的干脆颁发给整个团队。

诺贝尔奖比较死板。当初诺贝尔在设立奖金的遗嘱中规定了几个条件,包括获奖者必须是个人、而且是在世的活人,每项奖的获奖者不得超过三人。这两个条件一直被除和平奖以外的奖项顽固地坚持着,即使其它一些“不方便”的条件3早已被束之高阁。

发现引力波的成就应该获得诺贝尔奖是毫无疑问的理所当然。韦斯、索恩、德瑞福、巴里什四个主要角色如何取舍成三名获奖者却是一个人为的困境。在德瑞福去世之前,有些媒体已经提前为巴里什可能的落选鸣不平,认为他力挽狂澜的壮举和项目管理的卓越不应被忽视。

德瑞福的去世大概让诺贝尔奖委员会成员大大地松了一口气。2017年10月3日,他们顺理成章地宣布将当年物理学奖颁发给韦斯、索恩和巴里什三人。为了突出韦斯在干涉仪设计中的原始贡献,他独自获得一半奖金。索恩与巴里什平分另一半。

还在LIGO通过记者会向全世界宣布他们的重大发现之前,他们的两个干涉仪已经分别在2015年10月12日、12月26日两次探测到新的引力波信号。因为需要集中精力查证9月的那第一个信号,这些数据被暂时搁置,直到2016年6月15日才公开。10月12日的信号的统计意义比较弱,没有被正式确认为引力波。12月26日那次则被认定为另一例黑洞的合并。这次是两个分别为14.2和7.5太阳质量的“小”黑洞合并。它们距离也远一些,来自14亿光年之距。因为黑洞的质量比较小,LIGO得以观察到两个黑洞相互绕行27圈的“缓慢”旋进。合并后的黑洞有20.8太阳质量,只有0.9太阳质量被转化为引力波。

捕捉到这个信号之后不久,LIGO的第一次测量运行(O1)也于2016年1月19日结束。两个干涉仪关机下线,进行仪器调试改进。O1只持续了短短的四个月,但已经成果斐然。

经过将近一年的离线调试,原来在灵敏度上稍逊一筹的利文斯顿干涉仪有了显著的提高,反超汉福德。后者的灵敏度没能得到进一步改进,却也有了更好的信噪比。2016年11月30日,第二次测量运行(O2)正式开始。不久,他们便又在2017年1月4日、6月8日两次测得新的黑洞合并所发的引力波信号。

2017年8月1日,意大利的aVirgo终于完成了升级,加入探测行列。8月14日,地球上第一次有三个干涉仪同时探测到引力波,实现了对引力波来源的三点定位。4

韦斯当年为LIGO命名时,曾因为这个名称中含有“天文台”的字眼与天文学界发生冲突,不得不解释他们这个项目并不真的是传统意义的天文台。随着这一系列观测结果的持续出现,他们这时倒已经成为一个名副其实的引力波天文台。与此同时,新闻媒体却已经不再有兴趣跟踪报道这些新发现,引力波已经演变为没有新闻价值的家常便饭。

而当年持怀疑、反对态度的天文学家们也早已捐弃前嫌,进入为了人类科学大事业共同合作的新时期。很快,他们也收获了欣喜的回报。


当我们的耳朵突然听到附近意外的声响时,我们会自觉或不自觉地转头观看,试图用眼睛发现这个声响的来源并获取耳朵无法分辨出的更多信息。LIGO很早就认识到,单独用干涉仪倾听引力波并不全面,也需要同时睁开眼睛,细察双星合并的精彩。

凝听宇宙的干涉仪与我们的耳朵还有一个很相似的地方:可以耳听八方。仰躺在地球表面的干涉仪能够听到来自各个方向的引力波5。相反,我们现有的各种光学、射电、X射线、伽玛射线等电磁波望远镜却也与我们的眼睛类似:只有非常有限的视角,只能在对准光源后才能接收到信号。

因此,干涉仪更适合于最初的发现。当他们“听到”信号后,如果可以指挥其它望远镜“转头”寻找来源,则可能“看到”更多、更详细的信息。

1960年代,美国军方发现他们的间谍卫星有时会遭到为时短促的伽玛射线束“攻击”。经过大概十年的研究才确认这个威胁其实来自宇宙空间,非敌方的人类所为。天文学家猜测那是某些大质量星体甚至黑洞爆炸、碰撞等“宇宙事件”的产物,但苦于无法确证。所能作的只是试图获取更多的信息。

1990年代中期,天文学界开始对偶然发生的伽玛射线、X射线爆发事件进行统一协调的多方位、多渠道观测。地球表面和大气层外的人造卫星上的很多具备远程控制功能的望远镜已经实现联网。一旦某个望远镜接收到不明来源的突发性信号,立即会把坐标自动“群发”给其它伙伴。顿时,世界各地以及外空中的上百架望远镜可以一齐指向那个方向,试图捕捉同一事件的伴随信号。

从一开始,LIGO科学合作组织便加入了这个联网,准备利用他们耳听八方的优势帮助天文学家寻找目标。不过,2015年9月14日的第一个发现来得太突然,这些自动协调的机制尚未到位。冈萨蕾斯等人只好亲自打电话通知天文台的朋友,请他们临时“转头”观测,结果一无所获。随后的几次引力波的发现开始了实时引导天文望远镜的观测,也同样地没有成果。

这其实属于意料之中。干涉仪所发现的五次引力波都来自黑洞的碰撞合并,整个过程始终是在黑洞强大的引力场内进行,没有什么物质——包括电磁辐射——可以逃逸。因此除引力波之外并不能指望有其它的信号可以被观测到。6

当黑洞的合并已经习以为常后,LIGO的科学家翘首以盼的是能够发现中子星的合并。中子星没有黑洞那么强的引力场,其合并过程会伴随着强大的电磁辐射。虽然合并本身的过程极其短暂、发射的引力波脉冲稍纵即逝,但可见光、伽玛线、X射线等往往是在合并时星体物质高速碰撞、被抛射时和之后才发生,因此时间上有一定迟疑,辐射的过程也比较长,正好给地球上的望远镜提供“转头”寻找的时机。

这个机会终于在2017年8月17日出现。也就是三个干涉仪同时发现黑洞合并的三天后,三剑客又同时获得新的信号。与前五次不同的是,这是人类第一次直接探测到双中子星合并的引力波。

这个信号首先到达意大利的Virgo,然后在22毫秒后来到利文斯顿,再3毫秒后通过汉福德。与黑洞合并时探测到的不到一秒钟的脉冲不同,质量小的中子星合并是一个相对缓慢的过程,探测到的引力波信号持续了约100秒。分析表明这是两个质量稍大于太阳的中子星合并,产生了一个2.7太阳质量的新黑洞。这次合并发生在大约1亿3千万光年的距离,相对来说是比较近的。

引力波过去1.74秒后,在地球上空轨道上运行的美国费米伽马射线太空望远镜7探测到一组历时约2秒的伽马射线风暴。

LIGO和费米望远镜都及时发出了预警。在他们联合定位的引导下,地球上多个光学观测组在其后的数小时内集中搜寻,在指定范围内发现了一个新的光源,犹如那里短暂地出现了一颗新的星星——那便是双中子星合并后的残余。位置确定后,地球上大约70个不同的望远镜都瞄准了那颗新星,进行射电、红外、可见光、紫外、X射线、伽玛射线的全方位持续观测。

欧洲南半球天文台8的“非常大望远镜”9连续跟踪观测了12天。双星合并之初,可以观测到相对很强的光亮,最明亮的是在从绿光到橙光的可见光频段。随着时间的流逝,总体光强逐渐减弱,最明亮的区域慢慢地移向能量小的红光、红外。11天后,新星消失,不再能观察到。

“非常大望远镜”对2017年8月17日发现的双中子星合并的11天跟踪测量的紫外、可见光、红外(从左往右)频段光谱。横坐标是波长,纵坐标是亮度。曲线上的数字标注合并后的天数。

10月16日,共囊盛举的世界各地天文学家集体对外公开这一次不寻常的观测,同时发表了几十篇论文,从各种角度报告观测的结果。颇具代表性的是一篇题为《双中子星合并的多信使观测》10的论文,署名有3千多位共同作者,在天文领域属于绝无仅有。

“多信使”一下子成为时髦的新闻用语。这次观测标志着人类摆脱了“仰望星空”的单一依赖电磁波作为信息载体(信使)的局限,在“看”的同时也能“听”到另一个信使——引力波——带来的消息。这是LIGO所带来的又一个划时代的突破。11

双中子星合并的引力波与初始的伽玛射线风暴几乎同时抵达地球,证实了广义相对论中引力波以光速传播的预言。12这也是我们第一次有确切的证据表明过去观测到的短促伽玛射线“攻击”的确来自双中子星合并。

光学望远镜的测量也揭示了诸多从引力波无法“听到”的信息。通过光谱分析可以知道中子星合并时产生了大量铅、金、铂等重金属元素,解决了天文学中一个历时悠久的疑问。物理学家已经知道,通过恒星内部的热核反应,原始的氢元素能够逐级聚变产生氦、碳、氧等元素。但重金属元素的来源一直无法确定。这次的发现令科学家相信,我们地球上——整个宇宙中——的所有金子,以及制造原子弹的铀和钚、日常电器中不可或缺的稀土元素等等,可能绝大部分都来自远古某些双中子星的合并。

天文学进入了一个新的纪元。

2017年8月25日,双中子星合并发现的11天后,运行了近九个月的O2结束了。LIGO的干涉仪再度下线维修、改进。目前我们还不知道下一轮的测量运行(O3)会在什么时候重新启动,又会带来怎样的惊喜。

(待续)

目录

1

Galileo Galilei

2

包括中国的“复旦—中植科学奖”和香港的“邵逸夫奖”。

3

比如获奖的应该是当年或最近的工作。

4

德国的GEO600因为灵敏度不足,迄今尚未探测到任何引力波。

5

只是不同方向上的灵敏度略有差异。

6

当然,这并不是说天文学家不需要去尝试,因为新的科学发现往往会出现在意料之外。

7

比较遗憾的是,在电磁波和引力波之外,这次的合并事件中没有接收到相应的中微子束,因此没能实现更全面的多信使观测。这应该是因为合并时中微子的发射方向没有指向地球。

8

European Southern Observatory

9

Very Large Telescope

10

Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger

11

比较遗憾的是,在电磁波和引力波之外,这次的合并事件中没有接收到相应的中微子束,因此没能实现更全面的多信使观测。这应该是因为合并时中微子的发射方向没有指向地球。

12

伽玛射线稍微滞后将近2秒,是因为它们发出的时间上有差异。