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1700936001 某些过分谨慎的天文学家可能仍然会把“天鹅座X–1”中的致密星体称作“假定存在的黑洞”、“宣称存在的黑洞”或“猜测存在的黑洞”。就像我们无法观察到弯曲时空对物质的作用一样,我们也无法观察到黑洞。因此,我们只能推测,在从蓝超巨星上脱离的高温物质的中心有一个天体,这个天体的质量非常大(至少是太阳质量的15倍),体积却非常小(直径约为88千米),这样的天体只能是一个黑洞。诚然,如此谨慎的天文观察者为数不多,但是他们坚持认为我们从来没有发现黑洞。
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1700936003 休伊什与约瑟琳·贝尔·伯奈尔着手研究的类似恒星射电源(后来,人们发现它们明显是河外射电源,因此给它们改名为“类星体”)看上去又小又亮,就像天空中的星星,但却散布于银河系外。这些类星体并不在银河系内,事实上,它们与我们的距离大约为10亿光年甚至更远。这说明它们非常古老,因为它们的光传播到地球上需要几十亿年的时间。另外,这些类星体非常罕见,这说明宇宙“制造”类星体的速度没有以前那么快。
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1700936005 类星体的能量源自古老星系中心的黑洞,它们发出明亮的光,因此我们在距离它们非常远的地球上也可以观测到它们。质量是太阳质量的几百万或者几十亿倍的特大黑洞(包括假定存在、猜测存在和宣称存在的黑洞),可以将星系中的“浮木”,包括完整的恒星、气体与残骸、星系核中的“长期居民”和在庞大星系中四处游弋的“蜉蝣”,全部吞噬之后喷射出高速的火焰般的喷流,长达几百万光年。20世纪60年代,人类在地球上第一次观察到宇宙发出的这种信号。当时,人们根本不知道是何方神圣完成了这类壮举。
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1700936007 类星体是一种活跃的星系核,所有的能量都来自超大质量黑洞。这些活跃的星系核密度极大,相当于把10亿个太阳的质量集中在一个与太阳系大小相仿的区域中。在星系核周围,可能有数万个小型黑洞、其他死星及一些活跃恒星在沿轨道绕行。超大质量黑洞可能源于死亡恒星,也可能源于质量与恒星相仿的黑洞相互碰撞、合并形成的巨大星系核。
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1700936009 我们对宇宙的所有认识,包括宇宙的样子、宇宙中的居民、宇宙的历史、宇宙的形态结构等,几乎都来源于天文学家的观察与物理学家的实验。这些科学家依据的主要办法就是采集从宇宙起源后不久直至今天的所有天文现象发射的光(光几乎是他们关注的唯一事物,尽管有时候他们也会采集某些粒子)。科学家通过研究各种光的颜色、强度、方向和变化情况,分析其中隐含的信息,目的是绘制一幅宇宙详图。这幅地图涵盖在各个方向上与地球的距离超过450亿光年的天体,以及近140亿年以来的宇宙信息。在我们视线所及的茫茫宇宙中,我最希望探索的是无尽的黑暗、空无一物的真空地带,以及无边无际的时空。
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1700936011 黑洞的本质就在于它的黑暗,这是它名副其实的特征。在黑暗的天空中,黑洞就是一团漆黑;在明亮的天空中,黑洞就是一团暗影。望远镜从来没有捕捉到蒙在面纱之下的黑洞的真面目。由于我们对太阳系以外的认识几乎全部得益于光这个信使,而黑洞却躲在足以吞噬一切的黑暗之中,因此我们几乎不可能观察到它们,但并不是完全不可能。
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1700936013 我们可以观察到黑洞吞噬伴星的证据;我们可以观察到超大质量黑洞存在于星系中心的证据,因为沿轨道运行的恒星可以标记出它们的位置,尽管它们本身一团漆黑、难以观察;我们可以观察到长达几百万光年的黑洞喷流证据,因为即使在视线尽头的遥远星系上也可以看见这些喷流。但是,迄今为止,我们还没有亲眼看见黑洞。因此,如果真的能听到黑洞发出的声音,这样的前景的确令人激动不已。
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1700936015 宇宙中肯定存在我们永远也无法看到的黑洞。它们要么孑然一身,要么绕着另一个黑洞运转。任何天体,无论多么明亮,都无法与它们靠得太近。我们也无法描绘它们的轮廓,至少目前做不到。但是,如果黑洞碰撞,就会发生时空弯曲,形成波,并以光速传播,让我们有可能听到时空振荡的声音。如果引力波探测器取得成功,可以将时空振荡声与噪声区分开来,我们就可以记录:恒星在坍缩之前最后几秒钟发出的爆炸声,中子星旋转时表面隆起扭曲时空发出的声音,中子星碰撞的声音,中子星碰撞并形成黑洞的声音。此外,我们还可以记录黑洞碰撞从而形成质量更大的黑洞时发出的声音,在这个过程中,会有1045瓦的能量以引力辐射的形式向外传递。
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1700936017 自视为“引力辐射信徒”,赫尔斯–泰勒脉冲星的发现深深地激起了约瑟琳·贝尔·伯奈尔的兴趣。1993年,拉塞尔·艾伦·赫尔斯与约瑟夫·胡顿·泰勒因为探测并证实引力波的存在而共同获得诺贝尔物理学奖,尽管他们是通过推理的方式间接完成了这项证明工作。赫尔斯与泰勒历时数年,对一个编号为PSR B1913+16系统的运行轨道进行了详细观察。(编号中的“PSR”代表脉冲星,数字表示天体在太空中的赤经和赤纬。)他们观察发现,在2.1万光年之外,有一颗死亡的致密恒星,即中子星,以每秒17次的频率向地球发射射频脉冲信号。这颗中子星就是一个巨大的磁体。它将射频脉冲信号变成细细的束流,在自旋的同时,像灯塔一样将这些射频信号发射出去。也就是说,这是一颗脉冲星。通过精细测算脉冲信号的频率变化,赫尔斯和泰勒推断这颗脉冲星正在绕另一颗不那么显眼的中子星运转,轨道周期为7.75个小时。接下来,他们通过观察发现脉冲星的轨道正在发生微弱的衰变,运转一周所需时间每年会减少76.5微秒。他们做出推断,轨道衰变肯定是由能量损失造成的。
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1700936019 能量损失是爱因斯坦相对论的预测结果之一。沿轨道运行的中子星拖拽着周围的弯曲时空一起运动,同时将能量传递到时空的涟漪中。简言之,损失的能量被引力波(也就是时空的“声音”)传递出去了。在这次幸运的观察活动中,理论与实验实现了完美的结合。
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1700936021 大约3亿年后,这个双星系统将会因为被引力波带走足够多的能量而发生碰撞。如果到那时人类仍然存在,并且还在利用地面天文台观察宇宙(我们有足够的理由认为,这样的设想非常荒谬,真的出现这一幕的可能性非常小),那么从理论上讲,这个双星系统在最后几个小时里发生的情况就会被某个类似于LIGO的天文台探测到。但在最后的时刻到来之前,这个双星系统产生的引力波都非常微弱,在地球上无法探测到。我们对成功地探测到赫尔斯–泰勒中子星不抱任何奢望,而是会努力搜寻正在发生碰撞的中子星和黑洞组合。在它们共同存在的最后几分钟时间里,碰撞发出的声音足够响亮,以至于我们可以在与其相隔数亿光年甚至更远距离的地球上,通过机器捕捉到这些声音。我们可以观察到银河系内的中子星,但是,如果相距数百万光年,这些中子星看上去必然会非常暗淡,不可能被观察到。与之相比,赫尔斯–泰勒中子星与我们的距离仅为2.1万光年,并且处在银河系内。在大多数致密星体发生碰撞之前,天文学家无法用望远镜拍摄它们的照片。所以,我们只能先捕捉它们发出的声音。
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1700936023 我们不能宣称,通过直接观察,我们发现赫尔斯–泰勒脉冲星产生的引力波携带了能量。我们只能说,通过直接推演,我们认为引力波肯定携带了能量,只有这样,脉冲星轨道正在逐渐衰变的预测结果才能得到完美的解释。这个推演结果很有可能是正确的,可信度非常高!
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1700936025 [1]1英尺≈0.3米。——编者注
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1700936030 引力波:发现爱因斯坦广义相对论缺失的“最后一块拼图” [:1700935348]
1700936031 引力波:发现爱因斯坦广义相对论缺失的“最后一块拼图” 第9章 实验室里的开拓者
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1700936033 Weber and Trimble
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1700936035 就在约瑟夫·韦伯形单影只地躲在树丛中,守着他的那些准备移交的设施时,LIGO项目组从美国国家科学基金会获得了数额不小的支持资金。就在韦伯亲手维护他的韦伯棒时,加州理工学院和麻省理工学院携手建造出必需的设备,并且制定了长期战略。在韦伯收集第20年的实验数据,准备为自己备受嘲讽的研究成果进行辩解的时候,各大报刊纷纷在显眼位置报道一个金属机箱,并且评价它即将打开实验科学的新纪元,而韦伯却无缘参与其中。
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1700936037 基普是在20世纪60年代中叶结识约瑟夫·韦伯的,当时韦伯还没有宣布他的那项备受争议的研究成果。约翰·惠勒对韦伯很感兴趣,这也是基普找到韦伯的原因。那时候,韦伯的脾气还不是那么暴躁。他们经常一起前往阿尔卑斯山脉做徒步旅行。从某种意义上讲,他们俩是好朋友。
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1700936039 我问基普:“韦伯喜欢与人争论吗?”
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1700936041 基普笑了:“不,因为没有人与他争论。”
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1700936043 “我感觉他有猜忌心。”我说。
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1700936045 基普点点头,“是的,他的猜忌心很重。这是一个比较麻烦的问题。”
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1700936047 我说:“有时候纯粹是乱猜疑,有时候是真的存在问题,都搅在一起了。”
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1700936049 基普表示同意:“是啊,都搅在一起了。不过,这也是人之常情。”
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