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专访LIGO核心成员:我们是如何做到的

2016年02月17日 21:46 来源于 财新网
我们将在下一个十年见证探测器的进一步改进,以及全球探测器网络的扩展,引力波天文学这一崭新的领域有着非常光明的未来
引力波信号GW150914在天图(SkyMap)上的分布。图/Caltech/R. Hurt.

  编者按:

  “过去几天有点太疯狂了!”2月14日,英国格拉斯哥大学天文与物理学院教授、LIGO科学合作组织成员希拉·罗恩(Sheila Rowan)说。

  “我们的发现宣布后,我完全被格拉斯哥面对面的媒体活动淹没了。” 在LIGO成功探测引力波的消息得到公布的24小时内,格拉斯哥大学天文与物理学院院长马丁·亨得利(Martin Hendry)在给《知识分子》回复的邮件中写道。

  与格拉斯哥大学的科学家一样,加州理工学院教授、LIGO科学合作组织成员陈雁北也在过去几天里不眠不休,撰写解读性文章,接受媒体采访,为公众解读引力波这一激动人心的科学发现。

  何为引力波?探测引力波有多困难?从广义相对论预言到首次成功探测,这条路为何走了百年?探测到引力波对物理学有什么样的重大意义?华人科学家在这一项目中做出了什么样的贡献?

  为此,《知识分子》采访了LIGO科学合作组织的多位成员。其中,三位科学家给了详细的回复。

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  文 | 陈晓雪 张林峰

  引力波探测“创造了一个巨大的机会”

2

  布鲁斯·艾伦(Bruce Allen),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)所长,LIGO科学合作组织(LSC)分布式计算项目Einstein@Home(意为“爱因斯坦在你家”)领导人。

  《知识分子》:能否用一句话说明,什么是引力波?

  布鲁斯·艾伦:引力波是时空曲率的涟漪,从源处以光速传播。

  马丁·亨得利:引力波是时空中的涟漪,是宇宙中某些最激烈的事件产生的——例如恒星爆炸和黑洞碰撞(后者是我们这次探测到的类型)。爱因斯坦预言,宇宙中任何加速的物体都可以自然产生引力波,但是只有非常致密的星体以接近光的速度加速运动时,才能够产生在地球上探测得到的足够强大的引力波。

  《知识分子》: 探测引力波是一个什么样的问题?在物理学和宇宙学上有什么样的重大意义?

  陈雁北:引力波在广义相对论中是一个推论,并且是很重要的一个。引力波和电磁波,在数学上有一定的类似之处。打一个比方,法拉第、麦克斯韦建立的电磁场理论,推论出电和磁之间的联系。在最初,这个联系体现在“电磁感应”,比如运动的电荷可以产生磁场,而变化的磁场也可以产生感生电动势。从这些,可以从理论上建立一个麦克斯韦方程组。但是,这个方程组又推论出一个新的现象,就是电磁波。在电磁波里面,电场和磁场之间会有一个完全的转换,电磁感应会把能量传播到无穷远处。在赫兹发现了电磁波,并且测定了它的传播速度之后,电磁场理论才真正完整地被验证了。所以相比之下,只有探测到了引力波,研究了它的性质之后,才能说对广义相对论有了一个完整的认识。

  马丁·亨得利:这是一个有趣的问题。我们探测的成果之一便是完成了对爱因斯坦广义相对论关键预测的最后验证。但我觉得这并非是解决了一个问题。几乎所有的天文学家和物理学家都完全相信引力波是存在的,只是此前我们不能直接探测到它们。事实上本来可能有一个大得多的问题,那就是如果我们能够确认两个黑洞的合并没有发出引力波,因为这可以表明爱因斯坦的理论存在严重的问题——那会是令人震惊的,要知道广义相对论在不是那么极端的物理条件下取得了巨大的成功。

  当然,类似的评论可以应用在黑洞本身的存在性上。人们从电磁数据中得到了关于黑洞存在的很多间接证据,但对它们的直接探测——通过它们发出的引力波——是一个惊人的发现。不过同样不是真正解决了一个天文学和物理学中的问题。

  因此,我们不把这一发现当作是解决了一个问题,而是认为它创造了一个巨大的机会。

3

  陈雁北( Yanbei Chen),美国加州理工学院物理学教授,主要从事引力波研究,LIGO科学合作组织成员。

  史上最敏感的科学仪器

  《知识分子》:探测引力波有多难?什么样的方法是可靠的办法?

  布鲁斯·艾伦: 困难在于,引力波对物体的效应非常非常微弱。我们目前拥有的唯一方法就是通过LIGO(The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory ,激光干涉引力波天文台)干涉仪和其他类似的装置进行探测。

  陈雁北:在人类能够感知的尺度下,引力是一个很弱的相互作用。只有靠天文中大质量的星体的运动,才能产生相对比较强一些的引力波。但是就算是这样,引力波对地面上的物质产生的影响也是微乎其微的。这次探测到的引力波,振幅为10-21 ,这就说明,在LIGO中距离4公里的镜子,其相对距离只是变化了10-18 米左右,是原子核尺度的一千分之一。这么微弱的距离变化,是人类在之前根本没法达到的,是精密测量科学的最前沿。

  马丁·亨得利:(上面提到)爱因斯坦曾预言,宇宙中任何加速的物体都可以自然产生引力波,但是只有非常致密的星体以接近光的速度加速运动时,才能够产生在地球上探测得到的足够强大的引力波。正如池塘里的涟漪,随着在宇宙中的传播,引力波会变得越来越弱。 

  当引力波通过时,我们所在的局部空间会被拉伸和挤压。我们可以利用一种特殊的仪器——干涉仪——来探测这种拉伸和挤压。我们利用的是位于路易斯安娜州的列文斯顿和华盛顿州的汉福德的两台LIGO干涉仪。每台LIGO干涉仪有两个互相垂直的长达4千米的“干涉臂”。干涉臂由混凝土管保护,激光束可以在其两端的反射镜之间来回反射。引力波的通过会使得双臂分别延长和收缩,一个变长另一个变短,反之亦然。由于干涉臂的长度变化,激光束从一端到另一端的时间会有所变化。这意味着这两个光束不再“同步”,从而产生“干涉”图案,因此该装置得名干涉仪。 

  双臂长度的变化实际上很小,大约是人的头发直径的一万亿分之一。这是因为引力波信号从遥远的宇宙传来时已经变得小的不得了。如果你觉得探测这一过程还不算困难,那么地球上所有形式的局部干扰——从地面震动到电网涨落,以及能够伪造或完全吞没宇宙真实信号的仪器“噪声”——都会使它变得更糟。

  为达到令人震惊的灵敏度要求,在过去的几年里,LIGO探测器设计的几乎每一个方面都被升级过。我们在格拉斯哥大学领导的英国研究机构联合会发挥了关键作用,特别是在LIGO探测器核心区域发展、构造和安装灵敏的反射镜悬架,这对此次探测非常重要。该技术是以我们在早期英国/德国GEO600探测器上的工作为基础的。这使得LIGO升级为Advanced LIGO,可以说是有史以来最敏感的科学仪器,因此我们得以第一次直接看到黑暗的宇宙。

  《知识分子》:除了LIGO,世界上还有其他探测到引力波的装置吗?为什么LIGO首先成功了?

  布鲁斯·艾伦: 据我所知,目前还没有。(实验装置)设计精巧、工作人员卖力、运气好(感谢大自然,引力波源的时间地点都无比合适)。

  《知识分子》:LIGO何时成功收集到足够多的有效数据?收集数据持续时间有多长?分析数据用了多久的时间?

  布鲁斯·艾伦:目前是2015年9月12日到2016年1月12日。分析数据花了几个月的时间。一些分析甚至是在过去几周才结束的。

  陈雁北:LIGO早在十年前就进行了第一代的实验,并且和VIRGO探测器联合进行了数据采集,得到了3年的有效数据。在那一次采集中,由于仪器的灵敏度不如这一次,没有发现引力波事件。这一次的第二代的Advanced LIGO,在30-60Hz的低频段灵敏度比第一代有了10倍以上的提高,于是在开机不到一个星期的试运行中,就看到了这次的GW150914。由于这次的信号很强,LIGO科学家只做了简单的分析,就基本断定这个一定是引力波信号。但是,为了排除其他因素,更好的确定这个信号确切的统计特性,对信号所对应的物理过程作出判断,并且和广义相对论比对,最后到把一系列文章定稿、投稿,整个LIGO-VIRGO合作体还是花了5个月的时间。

4

  马丁·亨得利(Martin Hendry),  英国格拉斯哥大学天文与物理学院院长, 主要从事宇宙学和引力波天文学研究,LIGO科学合作组织成员, LIGO科学合作组织教育与公众宣传小组副组长。

  20万年一遇的真实信号

  《知识分子》:LIGO如何确认探测到的信号来自引力波,而不是其他的信号或噪音? 

  陈雁北:噪声虽然是随机的,但是可以用统计的方法来处理。粗略的说,越强的噪声,出现的几率就越小。LIGO在运行中,会对噪声的出现几率做一个估算。如果碰到一个很高的信号,比可能出现的噪声大很多,那么就几乎一定是引力波造成的。

  而且,由于双黑洞的波形比较有特点,我们在LIGO的数据中集中搜索具有这样特点的信号,这也会提高分析的效率,因为随机的噪声具有跟双黑洞同样的特点的可能性会降低。

  以上统计的方法,最有效的使用范围是多种独立因素所造成的噪声,往往成为是“高斯噪声”,或者“正态分布”。 有一些偶然因素造成的“非高斯噪声“,会让统计方法的效果变差——具体说,就是需要更高的信号强度,才能判断是引力波。

  这些偶然噪声,往往可以追溯到探测器所处的特定环境中。比如附近有飞机、汽车经过,有电磁场的扰动,等等。这样的因素,往往可以被LIGO的一些辅助探测器所捕捉。这些辅助探测器包括:麦克风、磁场计、地震仪、等等。当这些辅助探测器捕捉到比较强的非引力信号时,我们就忽略这时候引力波探测器的数据,避免被干扰。

  另外一个减少偶然噪声的方法,就是要求两个距离三千公里之外的LIGO探测器都必须在一定时间之内测到相互一致的信号。

  马丁·亨得利:要想象我们这次一样成功地探测到引力波事件,LIGO探测器既需要惊人的敏感性,也需要将波源真实信号与仪器噪声区别开来的能力。这是我们有两台Advanced LIGO探测器的一个关键原因,因为它让我们得以将引力波从仪器或环境的影响中提取出来:只有真正的引力波信号才能同时出现在两台探测器上——虽然有几千分之一秒的时间差,这是因为光(或引力波)到达探测器基地的时间不同。

  理解这些背景噪声是我们分析的重要组成部分,它包括在两个基地监测大量的环境数据,仅列举其中一些:地面运动,温度变化和电网涨落。同时,许多数据通道会即时监控干涉仪的状态,例如检查各激光光束位于适当的中心。如果这些环境或仪器的检测通道中的任何一个表明出现了问题,相应的数据就会被丢弃。然而,经过详尽的研究,在该事件发生时,没有发现数据质量方面的问题。

  但是,这是否有可能是一种罕见的噪声涨落,只是凑巧以相同的特征发生在两个探测基地呢?为排除这种可能性,我们需要搞清楚如果这是真的,那么它会有多罕见:它碰巧发生的可能性越小,我们就越相信我们所希望的是真的,也即我们观察到的确实是一个真正的引力波事件。为了进行这一统计分析,我们在这一事件后的那个月使用了长达16天的稳定、高质量的探测器数据。我们探测到的事件确实是那段时间里在两台探测器上探测到的迄今为止最强的信号。然后,我们在两探测器得到的数据之间引入了一系列人为的时间移动,有效地创建了一个更长的数据集,由此我们可以去搜索与我们所观察到的事件一样强,或更强的信号。

  由于只使用了间隔大于10毫秒的事件移动(之间的探测器的光的旅行时间)我们确保这些人工数据集不包含真实的信号,而只是噪声。然后我们可以看到,在非常长的人工数据集上模仿我们探测结果的事件出现的频率。这一分析可以给我们错误警报率:我们测量到看似真实实则是噪音波动的事件的频率(即一个“错误警报”)。我们发现这是非常罕见的——事实上我们得到,像我们得到的信号这么强的偶然信号只有在大约200000年的数据中才可能发生一次!这使我们确信,信号不是噪音。

  引力波是否以光速传播尚待检验

  《知识分子》:如何通过测量得到的数据,推算出源的物理信息,包括引力波的速度和角度、两个LIGO探测器之间的时间差、黑洞在合并之前的信息等?

  布鲁斯·艾伦:引力波的速度为光速。我们知道引力波的角度,是因为它从一个探测器到达另一探测器的时间差为7毫秒,如果你分析引力波经过这两个探测器的波形,就会得到两个黑洞合并之前的信息,啁啾质量(编者注:chirp mass,类似这次的致密双星并合信号听起来像鸟鸣,即又称啁啾信号,而描述这个系统的一个重要参数就是啁啾质量),看波形与数据是否吻合。

  陈雁北:首先是定时、定位。(LIGO)两个探测器有很精确的定时系统。通过引力波形的时间差,可以判断出引力波源在天空中所处的一个圆环。再考虑两个探测器看到的振幅、相位信息,可以进一步更好的定位。但是想要达到比较好的定位,需要三个和三个以上的探测器。

  其次关于源的信息。抽取源的信息,有很多步骤看波形的振幅、频率随时间的演化,可以推断出黑洞的质量;通过两个探测器的不同振幅、相位,可以抽取出轨道平面的指向。再通过看波的整体幅度,就可以定出距离。

  马丁·亨得利:为了进一步确信这是从双黑洞合并事件发出的真实引力波,我们将在汉福德(Hanford)和利文斯顿(Livingston )测得的数据与爱因斯坦广义相对论的理论预测做了比较。爱因斯坦的理论成功地通过了这一测试!

  这些理论预测取决于黑洞的物理特性:它们的质量和距离,最终形成的黑洞是否旋转(如广义相对论预测的那样),双黑洞系统的方向和其他参数。因为我们仅使用了两台引力波探测器来探测,并不是所有的系统参数都能很好地被确定。例如,原则上我们可以通过分析引力波在不同地点传来的时间差来确定它们在上空的位置。然而,通过两台探测器确定的天空位置并没有那么精准:它是面积非常大的一片天空(近1000平方度,或满月天空面积的约4000倍)。在我们数据所显示的范围内可以找到被观察到的事件,但我们不能更准确地给出这一位置。然而在未来,随着越来越多的引力波探测器被添加到我们的全球网络,我们确定引力波源位置的能力将大大提高。

  爱因斯坦的理论预测,引力波以光速传播,但我们的数据还不能完全确认是光速。然而,我们希望在未来探索这一问题,希望能检验引力波是否真的是以光速传播。

  历史性时刻中留名的华人科学家

  《知识分子》:LIGO科学合作组织有多少科学家参与?此次LIGO探测到引力波,他们各自做了哪些工作?

  布鲁斯·艾伦:我们发表的探测到引力波的论文有大约1000位作者,其分工与组织极其复杂。LIGO科学合作组织有许多工作小组(至少有二三十个)。多数小组的组长是选举产生,有一些则是由发言人指定。

  陈雁北:LIGO Scientific Collaboration有将近1000个成员,分工很细:有人设计、建造、调试实验装置(实验装置又分成很多具体的系统,有激光、光学器件、机械部分、电子和控制系统等等),也有人分析数据(分析数据还要按不同的源分成很多个组)。

  《知识分子》:在此次成功探测引力波的过程中,有哪些华人科学家做出重要贡献?

  陈雁北:清华大学以曹军威教授为首的团队,参与了LIGO的数据分析。其中有四位是这次文章的作者。

  西澳大利亚大学的研究组:鞠莉教授、赵春农教授(合作研制LIGO的实验技术)和温琳清教授(直接参与LIGO数据分析)等。

  格拉斯哥大学的Ik Siong Heng(王义雄)教授(引力波暴组组长,直接参与LIGO数据分析),英国伯明翰大学的缪海兴博士(光学和精密测量理论专家)。

  还有香港中文大学的助理教授黎冠峰,引力波数据检验相对论的专家,在广义相对论的检验方面发挥了直接的作用。

  另外还有一些比较年轻的中国科学家(学生、博士后)也很活跃。比如德国马普引力物理所的明镜(博士生)、清华大学的胡一鸣(博士后),都是直接参与LIGO的数据分析工作。这两位这次在网上发了一些很好的科普文章。

  我做的是理论的研究。我对LIGO的量子噪声和热噪声的计算、为Advanced LIGO的光学结构,以及设计灵敏度提供了理论依据。我后来参与了LIGO数据分析方案的研究和设计,为从LIGO数据中高效的提取双黑洞碰撞信号,以及运用双黑洞波形检验广义相对论提供了一些理论基础。

  天文学的新篇章刚刚翻开第一页

  《知识分子》: 如何评价LIGO直接探测到引力波的这一发现?它将如何影响未来的天文学与物理学?

  布鲁斯·艾伦: 它将为天文学研究开辟一个全新的领域,为研究黑洞和中子星等致密天体提供新的方法。

  马丁·亨得利:总的来说,我相信我们的发现是一个惊人的科学成就:它提供了黑洞存在的第一个直接证据,即它们可以以成对的形式存在,而这些对可以碰撞和合并,并在这一过程中以引力波的形式释放大量能量,这与广义相对论的预测惊人地一致。

  但是,我们的发现并不仅仅是检验爱因斯坦是否正确。探测引力波将有助于我们探测宇宙中情况最为极端的角落——黑洞的视界、超新星的最深处、中子星的内部结构——那些常规望远镜完全无法接近的区域。因此,对引力波的第一次直接探测和对双黑洞合并的第一次观察是了不起的成就,而它们仅仅是代表了一个令人振奋的天文学新篇章的第一页。

  我们将在下一个十年见证Advanced LIGO探测器的进一步改进,以及全球探测器网络的扩展,包括意大利的Advanced Virgo,日本的神冈引力波探测器(KAGRA),以及可能在印度的第三个LIGO探测器。这种增强的全球网络将显著提高我们的确定引力波源位置以及更准确地估计它们物理性质的能力。引力波天文学这一崭新的领域有着非常光明的未来!■

  感谢德国马普引力物理所、清华大学博士后胡一鸣为采访提供的帮助

  《知识分子》是由饶毅、鲁白、谢宇三位学者创办的移动新媒体平台,致力于关注科学、人文、思想

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责任编辑:崔筝 | 版面编辑:李丽莎
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