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1700936405 白矮星和中子星发出的光非常暗淡,如果位于银河系外,就根本看不到。在直径约为10万光年的银河系里,我们能看到可以证明白矮星和中子星存在的证据。离银河系最近的大型星系是仙女星系,距离我们大约250万光年。我们可以看见遥远星系里的超新星,但如果距离达到数百万甚至数十亿光年,我们就无法看到这些超新星爆发后形成的致密星体。我们有充分的理由相信,可以根据对银河系的了解推断其他星系的相关情况。在可以观察到的宇宙空间里有无数星系,每个星系又包含数不清的恒星。星系的数量难以统计,恒星的数量更是不计其数,其中必然有一些恒星死亡后留下的残骸。但是,银河系以外的致密星体非常暗淡,用望远镜是观察不到的。
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1700936407 既然有那么多的致密星体,LIGO项目组自然希望可以借助引力波探测器探测到它们。在太空里静止不动的致密星体不会发射引力波,就像放着不动的鼓槌不会让鼓发出声音一样。要把鼓敲响,鼓槌必须动起来。这些致密星体必须运动起来,才能将能量传递至引力波。赫尔斯–泰勒脉冲星以越来越快的速度,围绕另一颗中子星运转。尽管超新星爆发可能会将伴星弹射出去,但大多数双星系统很可能都是成对“出生”、成对“死亡”的。LIGO项目组苦苦搜寻的是那些同时死亡的双星系统。这些致密星体以越来越快的速度沿轨道运转,就像鼓槌敲打着时空这面巨鼓,奏响了美妙的引力波蓝调。
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1700936409 致密双星系统沿轨道运转时,产生时空的涟漪需要消耗能量,因此它们会旋近(inspiral),也就是说,相互之间的距离会逐渐缩小。每转一圈,它们之间的距离就会缩小一点儿,运行周期也会缩短一点儿。
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1700936411 所有双星系统,无论是不是致密星体,都会发射引力波。由于引力波造成的能量损失,除了太阳系效应引起的其他变化,地球在自转的同时也在慢慢地向太阳靠近。同样,月球在向地球靠近,太阳则不断接近银河系的中心位置。但是,所有这些旋近都非常缓慢,它们发射的引力波极其微弱,几乎无法探测到。整个过程所需的时间非常长,远超宇宙存在的时间。太阳将第一个死亡,银河系首先会与仙女星系碰撞。世界末日到来时,人类仍然在地球上用引力波探测器探测天文异象的可能性不大。霍金也许可以拿这个与别人打赌,权当娱乐。
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1700936413 但是,LIGO探测器有可能发现致密双星系统旋近的最终状态。想象一下,黑洞碰撞的最后时刻会出现哪些场景。首先是两个黑洞(假设它们的直径分别是60千米)在太空中相互围绕对方运行。它们的速度非常快,每秒运行几百圈。随后,它们相互碰撞合并为一体。在这个过程中,它们的运动使空间发生振荡。由于强度比较大,当引力波从地球上方经过时,我们可以探测到这场大灾难。只有到了最后时刻,引力波足够强,才会被探测器捕捉到。致密双星系统的寿命通常有数十亿年。如果把观察目标限制在银河系范围内,在这些致密双星系统生命终结前的15分钟里探测到它们的可能性将会非常小,这一点令人十分气馁。
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1700936415 银河系里中子星相互碰撞的发生频率大约是每一万年一次,但是预测工作仍然充满不确定性。中子星与黑洞碰撞的发生频率可能是几十万年一次,黑洞相互碰撞的发生频率可能是200万年一次。因此,花50年的时间建造LIGO探测器,却只用来记录银河系内发生的致密星体碰撞现象,是一个非常愚蠢的想法。
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1700936417 LIGO探测器必须记录数百万个星系引发的空间振荡,才能使记录黑洞碰撞的成功概率达到科学合理的程度(比如,在试运行一年内取得成功)。其他星系距离我们非常遥远,因此LIGO探测器必须探测遥远的空间,把更多的可能目标纳入探测范围。但是,探测距离越远,信号就越微弱。因此,尽管第一代LIGO探测器完成了6次科研运行(探测器全面运转并记录数据的次数),但它们只能观测到大约4 500万光年距离范围内的成对中子星,最远可达附近的室女座星系团。成对黑洞的可探测范围略大于成对中子星的可探测范围。这个距离似乎已经非常远了,但还不能满足引力波探测的需要。因此,第一代探测器一无所获。
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1700936419 几十年前,基普在普林斯顿大学做了那场演讲之后,奥斯特里克问了一个萦绕在他心头多时的问题:“你是从哪里得到这些数字的?”只在信号源数量非常多的情况下,第一代探测器才有可能捕捉到某些声音,否则,它们有所发现的可能性非常小。根据理论,信号源大量存在的可能性难以估计。基普说,信号源数量的那些最高估计值至少符合物理定律,那些最低估计值则是他们一直追求的目标。出身天文学世家的奥斯特里克坚持认为这些数字令人迷惑,与天文学的现实情况格格不入。
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1700936421 大约在30年前,基普与人打赌,称LIGO探测器在2000年1月1日就会探测到引力波。他坚信这是不可能的。奥斯特里克是这场赌局的另一方,他坚信这是不可能的。奥斯特里克为这个赌局设置了几个科学合理的条件,包括:至少有两个团队承认引力波已经被成功地探测到,而且这两个团队必须承认彼此对探测结果的分析是正确的。事实证明,奥斯特里克纯属多此一举。2000年1月1日悄然而至,又悄然而逝,刚刚组装完成的第一代LIGO探测器没有采集到任何相关数据。奥斯特里克宣称:“我贴在他墙上的赌局协议突然消失了。”
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1700936423 基普回应道:“坦率地说,我认为那份协议一直在墙上。为了签字确认,我把它从墙上拿了下来,但几天之后我又把它贴回去了。”
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1700936425 奥斯特里克说他并没有马上要求基普兑现赌注,而且不断地在他的朋友圈里对他表示关心:“基普没事吧?”他的目的是通过这种不急不躁又锲而不舍的方式,让基普的朋友们提醒他该掏腰包了。
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1700936427 基普反驳说:“奥斯特里克肯定记错了。2000年1月1日,我输掉了这场赌局。后来,我收到了奥斯特里克手写的、落款日期为2000年4月18日的便条:‘收到你寄给我的一张令人愉悦的便条,还有一瓶品质上佳的红酒,万分感谢!我和吉姆·冈恩、博赫丹·帕钦斯基、斯科特·特里梅因以及马丁·李斯一起分享了那瓶酒。我们还为你的健康,为引力波探测,尤其是LIGO项目取得成功干杯。祝一切安好!你真诚的朋友,耶利米。’”
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1700936429 同耶利米·奥斯特里克一样对LIGO项目感到非常恼火的天文物理学家大有人在。奥斯特里克特别提出,LIGO项目有不合理的地方。《天文学与天体物理学十年调查报告》的宗旨是就未来10年美国应重点资助哪些天文学和天体物理学研究项目提出建议,是科学自治的一个重要表现。奥斯特里克参与了过去三期的编写工作。尽管至今仍然不清楚约翰·巴考尔是否曾经拒绝将LIGO项目收入其中,但是LIGO项目最终没有入选的确是事实。过去几十年里,所有重大项目都通过了该调查报告的审查,但LIGO项目是一个例外,这令奥斯特里克感到十分恼火。他和其他人不满LIGO项目组用资金修建那些管道,而不是用来培养研究生。
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1700936431 对于这个问题,基普提出了不同看法:“关键问题是,为LIGO项目提供资金支持的是国家科学基金会的物理学部,而不是天文学部。所以,有发言权的只能是物理学部,而不是天文学部。
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1700936433 “LIGO项目通过了物理学部十年调查委员会的审查……在找到新的资金渠道之前,为LIGO项目提供资金的一直是国家科学基金会物理学部。LIGO项目获得批准的一个重要原因是,从20世纪80年代中期开始我们组织了大量的评估活动,而且委员会的成员都是一些不讲情面的物理学家,例如理乍得·加尔文。如果没有这些评估活动,国家科学基金会绝不可能批准LIGO项目的资金申请。”
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1700936435 一位不愿意透露姓名的批评者指出,基普出身摩门教家庭,天生就善于游说。他还认为,长大后的基普抛弃了枯燥乏味的说教和性别歧视,也不再是一名虔诚的摩门教徒,基普一直想为自己改变宗教信仰找到一个正义的理由,LIGO项目恰好是一个合适的理由。耗费巨额资金、前途未卜的LIGO项目为什么可以申请到资金呢?因为基普富有魅力,是一名高明的说客。此外,他在科研方面考虑问题缜密周到,对技术发展现状的分析与评估清楚明了,为人诚实正直、受人尊重。因此,基普说的话往往令人信服。
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1700936437 尽管从技术上讲,第一代LIGO探测器取得了成功,但是它们没有捕捉到任何关于引力波的信息。要想记录距离我们数十亿光年的宇宙传来的微弱声音,必须解决一系列技术难题。根据设计,高新LIGO探测器的探测距离可达10亿光年,包含了成千上万个星系。天文学家认真地估算了恒星的数量、大小和寿命,试图预测出现在探测范围内的致密双星系统的数量,从而估计到底有多少个可能的信号源。尽管目前的信号源估计数量引起了争议,悲观意见与乐观看法并存,但是信号源确实存在。无法保证的是,致密双星系统发生碰撞的地点是否在可探测范围内,以及碰撞发生时人类是否还存在。
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1700936439 只有造物主慷慨地提供足够多的信号源,在(一两年,而不是二三十年内)完成合理次数的科研运行,探测器才会捕捉到宇宙的声音。如果探测器在几年时间里一无所获,人们可能就不愿意继续使用它们了。同时,LIGO项目组也需要进一步证明人们的投入物超所值,也就是说,他们必须有“从事天文学研究”的能力。面对批评者的质疑,很多人焦虑不安,还有很多人不辞劳苦地做着各种计算,希望可以拓展LIGO探测器在天体物理学领域的应用。LIGO项目组还要面对众多批评者的评头论足,并向天体物理学界证明自己的存在价值。对于项目的合作者来说,棘手的问题是:LIGO项目会产生良好的收益吗?巨大的投入能否换回足够多的科研成果?
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1700936441 目前,LIGO探测器是唯一一种拥有引力波探测能力的机器,因此无法满足耶利米·奥斯特里克的赌约条件——至少有两个团队承认引力波已经被成功探测到,而且这两个团队必须承认对方对探测结果的分析是正确的。然而,奥斯特里克说,如果人们可以利用望远镜完成同步探测,他也能接受。当超新星或中子星这些致密星体碰撞时,不仅会发出巨大的声响,还会发出明亮的光。现在,高新LIGO探测器已经基本建成,奥斯特里克当然感兴趣。而且,他没有任何偏见。同众多科学家一样,对于科研成果,他不会冷嘲热讽,而是欢欣鼓舞。但是,他还是与LIGO团队的一名科学家(不是基普)打了一个赌。奥斯特里克认为,他们探测到引力波,并且探测结果能被望远镜证实,这在2019年1月1日之前是不可能实现的。
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1700936443 在远长于人类既有历史的遥远未来(就像古戈尔普勒克斯[1]远远大于138亿一样,宇宙138亿年的历史与未来岁月相比,也是微不足道的),宇宙中的所有恒星都将死亡,那些符合条件的恒星会坍缩成黑洞。宇宙万物都会被吸进黑洞,然后一些黑洞会被质量更大的黑洞吸收,再然后宇宙中的所有黑洞都会蒸发,产生霍金辐射。整个过程将会耗费非常长的时间。(“永恒是很长的时间,特别是对尽头而言。”)目前,我们生活在地球上,天空非常明亮,似乎听不见宇宙的任何喧嚣声。所以,这次的赌局是:太空并不是那么安静。
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1700936445 [1]古戈尔普勒克斯等于10的古戈尔次方,1古戈尔等于10100。——译者注
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1700936450 引力波:发现爱因斯坦广义相对论缺失的“最后一块拼图” [:1700935352]
1700936451 引力波:发现爱因斯坦广义相对论缺失的“最后一块拼图” 第13章 罗生门事件
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