Barry Barish：你手上的金戒指，可能来自一场“死亡碰撞” | 星聚墨子（27）

引力波观测还能帮助我们解答一个困扰已久的自然界谜题：地球上的重元素究竟来自哪里？中子星碰撞或许就是宇宙中轰击产生重元素的源头。

2017年12月，美国实验物理学家、诺贝尔物理学奖得主巴里·巴里什 (Barry Barish)在墨子沙龙引力波大会上围绕LIGO探测引力波的原理与应用开展了一场科普报告。

本文根据报告内容整理而成。

1

第一部分

十年“一无所获”？实验物理学家的“死磕”

这是激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，简称LIGO）的照片。在这个巨大的房间里，你可以看到LIGO的腔体。

▲实验室内的激光干涉引力波天文台 来源：LIGO官网

我们在腔体内安装了大型光学器件，如镜子、激光和测试仪器等，这些是我们实验装置演变的基础。这就是它的样子，人大概只有它的三分之一到一半高。

▲LIGO引力波探测范围图 来源：演讲者

这张图显示了LIGO引力波的探测范围，这一条条数据曲线，记录了从LIGO建成测试，到2001年正式开始引力波探测后得到的一系列数据。曲线的左侧随着地面震动（的减弱）而下降，右侧则受到激光光强的限制。

我们一直在改进装置，图中展示的每条曲线之间相隔几个月，期间我们都会对装置进行升级。这张图展示了我们如何一点点进步。

从2001年起的10年里，我们每次寻找引力波都会进行这样的测量。在这10年期间，我们经历了6个阶段的探测，采集了海量数据，但每次都“一无所获”。这就是实验物理学家的工作日常：进行测量，理解限制实验精度的因素，然后不断改进，力求做得更好。

2

第二部分

相隔3000公里的“神同步”

在不断改进装置，使探测器的灵敏度比最初提高了100倍之后，我们很快探测到了这样一个信号。

这次探测到的黑洞碰撞是质量非常大的天体，这种非常强烈的碰撞，信号频率往往在我们探测范围的低频端，这就是探测器灵敏度需提高100倍的原因，也是我们改进的重点。

▲2015年，LIGO首次直接探测到双黑洞并合引力波事件 来源：演讲者

如果你们能看懂这张图，这次讲座的目的就达到了。这其实是来自两个探测器的信号，一个在路易斯安那州，另一个在华盛顿州。

首先，你会发现这两个信号看起来几乎完全相同。横轴是时间，尺度为200毫秒，也就是说我们看到的信号发生在200毫秒内。后来我们确定，这个信号代表着两个黑洞在相互绕转，它们的速度和频率越来越快，产生了幅度越来越大、频率越来越高的信号，最终合并在一起，随后振动逐渐衰减。

最下面的图表是让实验物理学家对结果产生信心的关键：如果把上面两个信号叠加，并将其中一个平移6.9毫秒，两个信号几乎完全重合。这让我们确信看到的信号是真实的，因为相隔3000公里的两个独立探测器都测到了它。

我们发现，这两个天体的运动速度达到了0.3到0.4倍光速。两个质量均为太阳30倍的天体，在相距仅几十公里的情况下，以相对论性速度相互绕转，这是一个极其震撼的场景。

2016年初，另一个引力波探测器VIRGO（室女座干涉仪，Virgo Interferometer）逐渐升级，在今年（2017年）8月，升级后的Advanced Virgo与我们正式展开了合作观测。VIRGO是由法国、意大利发起，波兰、匈牙利、荷兰等国加入的欧洲合作组织。它与LIGO有微小差别，但以目前的实验目的来看，两者非常相似。

▲VIRGO鸟瞰图 来源：维基百科

3

第三部分

引力波，不止能“抓黑洞”

有一个物理量叫做哈勃常量，它可以告诉我们宇宙膨胀的速度。我们的数据可以用来测定哈勃常量，而目前关于这个常量的值在学界仍有一些争议。

▲Barry Barish团队关于哈勃常量的计算结果 来源：演讲者

我们的测量方法几乎完全独立于基于电磁波的观测结果。这张图展示了我们发表的关于该常量的测定结果，它与基于电磁波观测得出的最佳结果高度一致。这也证明了通过引力波探测，我们能够得出更多有价值的科学结论。

▲千新星事件 来源：演讲者

图中展示的是“千新星”（kilonova）。它描述的是双致密天体（如双中子星或中子星-黑洞）并合时产生的光学-红外瞬变现象。我们利用各种设备对其进行了研究，观测结果与理论的大致描述十分吻合。未来，我们将继续探索电磁波与引力波相结合的观测手段。

此外，引力波观测还能帮助我们解答一个困扰已久的自然界谜题：地球上的重元素究竟来自哪里？我们知道，铁及铁以下的元素是自然通过恒星的核聚变燃烧制造的，但重元素的产生方式一直是个难题。

▲2017年，科学家对于重元素来源的预测性分析 来源：天文学家Jennifer Johnson，俄亥俄州立大学

在实验室中，我们通常用中子轰击较轻的元素来产生重元素。以此类比，中子星碰撞或许就是宇宙中轰击产生重元素的源头。图中展示了重元素来源的分析，黄色部分代表来自中子星合并事件的贡献。一些大家熟知的矿产元素，比如铂和金——你们手上的戒指很可能就是由远古时期的中子星碰撞所产生的。

展望未来，引力波探测领域很快将迎来新的探测器。日本正在神冈矿建造一个名为KAGRA的探测器。它将至少为我们提供两项新技术应用的机会：首先是深入到震动更小的地下环境，其次是通过冷却装置降低噪声。KAGRA应该很快就能加入我们的国际合作。

▲KAGRA（Kamioka Gravitational Wave Detector，神冈引力波探测器） 来源：KAGRA官网

此外，LIGO团队也正在与印度合作建立探测器。期待在未来，LIGO能探测到几乎太空任何位置的信号，具有更高的方位分辨度，并与基于电磁波的观测设备对比印证。

内容整理：诗学

文章转载自"墨子沙龙"公众号