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引力波成功探测——爱因斯坦百年预言证实!

激光干涉引力波天文台(LIGO)探测到双黑洞碰撞产生的引力波,开启了探索宇宙的新窗口。作为中国大陆唯一LIGO科学合作组织成员,清华大学研究团队作出贡献。

 

    2016211日,美国国家科学基金和欧洲引力天文台召开对外新闻发布会,正式宣布有史以来,科学家第一次直接观测到了来自遥远宇宙的剧变事件所产生的时空涟漪——引力波。这一探测证实了阿尔伯特·爱因斯坦1915年发表的广义相对论的一个重要预言,并开启了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口。

 

    引力波携带了产生它的经历异常激烈天体物理过程的天体源信息,同时引力波还携带了揭示引力本质的信息,这些信息是其它类型信号所不能获得的。物理学家们确信他们探测到了来自两个黑洞最后并合瞬间的引力波,这两个黑洞的并合最终形成了一个更大质量的快速旋转的黑洞,这一现象长久以来就被理论预言,然而在此之前从未被观测到。

 

    这一引力波信号于世界协调时间2015914951(北京时间当天下午1751),由分别位于美国路易斯安那州列文斯顿(Livingston, Louisiana)和华盛顿州汉福德(Hanford, Washington)的激光干涉引力波天文台(LIGO)的一对探测器同时探测到,该台由美国国家科学基金资助,由加州理工学院和麻省理工学院构思、建造并运行。这一发现是由LIGO科学合作组织(包含GEO合作组织和澳大利亚干涉引力天文协会)以及室女座引力波探测器(Virgo)合作组织共同完成,数据来自两个 LIGO探测器。本次发现被物理评论快讯(Physical Review Letters)期刊接受发表。

 

图:分别位于LivingstonHanfordLIGO探测器以及它们分别探测到的引力波信号。

 

    两个探测器距离3000公里(相当于光速传播10毫秒)。这一引力波首先到达Livingston探测器,7毫秒之后到达Hanford探测器,这意味着引力波源位于南半球天区。另外,根据这一观测信号,LIGO科学家算出事件发生在13亿年前,两个黑洞分别为2936倍太阳质量,在不到1秒的时间内将大概3个太阳质量的物质转化为了引力波,峰值功率输出大概相当于可见宇宙总功率的50倍。

 

    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1000多名科学家。LSC中的90多所大学和科研机构参与研发了探测器所使用的技术,并分析其产生的数据;在组织中,有约250名做出重要贡献的成员是学生。LSC探测网络包括LIGOGEO600探测器。GEO团队包括来自于德国马克斯—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,其他英国的大学以及西班牙的巴利阿里群岛大学的科学家。

 

    LIGO这种用激光干涉探测引力波的方法最初是在上世纪80年代提出的,主要的提出人有麻省理工学院物理学荣休教授雷纳·韦斯(Rainer Weiss),加州理工学院的理查德·费曼理论物理学讲座荣休教授基普·索恩(Kip Thorne)以及同样来自加州理工学院的物理学荣休教授罗纳德·德雷弗(Ronald Drever)。

 

    室女座引力波探测器(Virgo)的研究工作由Virgo合作组织完成,这一组织包含250多名物理学家和工程师,分别隶属于19个不同的欧洲的实验室,包括法国国家科学研究中心(CNRS)的6个研究所、意大利国家核物理研究院(INFN)的8个研究所、2个荷兰国家核物理及高能物理研究所、匈牙利维格纳研究所,波兰引力研究组和放置室女座引力波探测器的欧洲引力天文台。

 

    这一发现得益于高新激光干涉仪引力波天文台(Advanced LIGO)探测能力的大大提升。相比于第一代LIGO探测器,Advanced LIGO的重要升级工作使得仪器的灵敏度大大增强,从而可以大大增加可探测的宇宙空间,也直接导致在其第一次观测运行中发现引力波。美国国家科学基金会主导了高新激光干涉的财政支持。德国的马克斯—普朗克学会,英国科学与技术设施委员会和澳大利亚研究基金会等资助机构均作出了重要支持。使高新探测器灵敏度大大提高的几项关键技术由德国—英国的GEO合作组织开发并测试。主要的计算机资源由AEIAtlas机群,LIGO实验室,雪城大学和威斯康星大学密尔沃基分校贡献。一些大学设计、建造并测试了Advanced LIGO的关键部分:澳大利亚国立大学、阿德莱德大学、佛罗里达大学、斯坦福大学、纽约哥伦比亚大学和路易斯安那州立大学。

 

    2009LSC接受清华大学为正式成员,清华大学目前是中国大陆唯一一个LSC成员。清华大学LSC研究团队由清华大学信息技术研究院研究员,清华大学天体物理中心兼职研究员,LSC理事会成员曹军威负责,研究团队还包括清华大学计算机系副教授都志辉和王小鸽等成员。研究团队着重采用先进计算技术提高引力波数据分析的速度和效率,参与了LSC引力波暴和数据分析软件等工作组相关研究。

 

    清华大学研究团队主要与麻省理工学院、加州理工学院和西澳大利亚大学等LSC成员合作开展工作,主要研究成果包括:GPU加速引力波暴数据分析和实现低延迟实时致密双星并合信号的搜寻;采用机器学习方法加强引力波数据噪声的分析;分析引力波事件显著性的系统误差等,研究成果发表在物理评论D等期刊。清华大学研究团队还参与构建引力波数据计算基础平台,开发的数据分析软件工具为LSC成员广泛使用。另外,六年多来研究团队作为LSC成员,LSC数据分析结果已经在自然、物理评论快讯、物理评论D等期刊上发表论文数十篇,按LSC国际合作规则,论文由全体成员署名,按作者姓氏的英文字母次序排序。清华大学LSC研究团队的工作获得了国家自然科学基金委和清华大学自主科研计划项目的支持。

 

    虽然国际上引力波科学研究和观测工作开展的如火如荼,中国在这方面的基础还相对薄弱,目前尚没有自主建设的引力波天文台。随着国际上引力波直接观测的成功和引力波天文学时代的开启,中国亟需自主建设引力波天文台,一是要脚踏实地从培养人才入手,二是要有开放合作的心态,充分借鉴国际上已有的研究和实验成果,三是要大力加强科学目标引领下的跨领域合作,才有可能带动一系列的技术创新和科学发现,进一步推动我国引力波科学研究的发展。

【发布时间:2016-05-11】【浏览次数:501】