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從人物到細節引力波背后最完整的內幕故事

2016-02-17 13:57:45 來源：百度百家

　　一些最困難的工作發生在鏡子上。根據Reitze，這些是世界上最好的鏡子，遠遠超出任何的同類。每一面鏡子都有一尺寬，重90磅，被磨成精度到一億分之一英尺的完美的球面鏡。(一面鏡子的造價約100萬美元。)開始時，鏡子們被懸在一圈鋼線上。升級后，它們被連接在一個鐘擺系統上，來隔離地質抖動的影響。連接它們的是溶化硅纖維——基本成分就是玻璃——足夠強壯來承受鏡子的重量，但是很容易破碎。「我們出過一次事故，一個螺絲刀掉下來，刮到了硅纖維，結果整個鏡子都掉了下來。」Anamaria Effler，一個過去在那里工作過的運轉專業技術人員告訴我。纖維的優點是它的純度，根據格拉斯哥大學的Jim Hough，「當你彈一下威士忌杯子，它會發出漂亮的振動聲;溶化的硅比威士忌杯子還好，更像是撥動小提琴的琴弦」音符是如此的薄可以用LIGO的信號處理軟件把它過濾掉，又一個干擾排除了。

　　準備高級LIGO的工作比想象的進展得慢，所以更新的改進的設備的投入使用時間被推遲了幾天，到2015年9月18日。Weiss被從波士頓叫來確定一個頻率干涉的源頭。「我到了那里，被嚇壞了」他說。「這個干涉到處都是。」他建議進行一個星期的修理來處理，但是項目的總負責人拒絕了這一延誤，不想再耽誤一天的觀測時間。「感謝上帝他們沒有讓我那么干，」Weiss 回憶。「我會導致讓整個系統在信號出現時下線!」

　　引力波被如此早的探測到引來了很多迷惑和質疑。「我告訴所有人我們直到2017年獲2018年才會探測到任何東西，」Reitze說。 Janna Levin，哥倫比亞大學的天體物理教授，沒有參加LIGO合作研究，也感到非常吃驚。「當傳言開始時，我的反應是：別逗了!」她說，「他們連鎖才剛上好!」。再說這個信號實在是太完美了。「我們絕大多數人認為，當我們看到這個信號時，它將是從非常多的計算機和計算周期后中從噪音中拉出來的信號，」Weiss認為。大多數人認為這個信號是某種測試。

　　LIGO團隊包括一小組人員，專門制造隱藏的信號注入——虛假的引力波證據——作為對科學家工作的監督。盡管每個人都認識這個四人小組的成員，「我們都不知道什么樣的信號，在何時，以及是否被注入，」Gabriela Gonzalez，合作研究的發言人說。當LIGO的最早的2010年的運行中，探測器撿到了好像是很強的信號。科學家們緊張的分析了六個月，最后認為是來自河外星系Canis Major的引力波。就在他們想把發現投到科技期刊之前，他們被告知這個信號是被注入的假信號。

　　這一次，隱藏信號小組發誓他們和這個信號沒有任何關系。Marco Drago認為他們的否認可能是測試的一部分，不過Reitze自己，作為四人小組的成員，有另外的擔心。「我的擔憂是——你可以理解為這是我們對做出任何虛假發現的本能畏懼——有沒有其他的人惡意的在搗亂?」他說，「會不會是其他人在我們的探測器里偽造了一個信號，我們沒有人知曉?」Reitze，Weiss，Gonzalez還有其它幾個人考慮了誰還出于對設備和系統算法的全面了解有可能制造這個假信號。他們只找到4個人選，其中沒有一個人有任何動機去這樣做。「我們深入盤問了這些人，」Weiss 說，「結論是，他們沒有做這件事。」最后，他說，「我們接受了最經濟直接的解釋：這是一對黑洞造成的。」

　　LIGO合作研究機構的每一個分部門開始確認這一探測的有效性。他們檢查每一件設備是怎么設定和校準的，每一行軟件代碼都分析，編輯了一個單子列出所有可能的環境干擾，從大氣電離層的振蕩到太平洋沿岸的地震。(「當時有一個很強大的發生在非洲的閃電，」Stan Whitcomb，LIGO首席科學家告訴我。「不過后來磁場測量儀顯示它沒有足夠的干擾可以產生這個信號。」)最后，他們確認了這個探測結果滿足統計學的5西格瑪門檻，這是宣布任何物理學發現的黃金標準。換句話說，這意味著這個探測結果只有3百50萬分之一的概率是由隨機事件造成的。

　　9月14號的發現，現在正式命名為GW50914，已經附帶來好幾個非常重要的天體物理發現。舉例說，它是第一個觀測證據說明雙黑洞對的存在。直到現在，這只是理論上的可能性，因為黑洞吞噬所有周圍的光，讓傳統望遠鏡無法觀測到。引力波是唯一可以逃出黑洞的壓倒性的引力場的信息。

　　LIGO科學家已經從這個信號中提取出令人驚訝的信息，包括源頭的黑洞的質量，軌道速度，它們邊界接觸的時刻。它們比想象的質量大很多，這個驚訝地發現，如果被以后的引一步觀測印證，將會幫助解釋各個銀河中心的神秘的超級體量黑洞是如何形成的。研究團隊還量化了黑洞的ringdown——三個能量脈沖在最終的合并后的新的更大的黑洞在球形化過程中釋放出來——也就是說黑洞在合并后把自身的不完美部分通過引力波輻射出來。

　　這次檢測還證實了愛因斯坦關于這個物理宇宙的另一個特性的想法。盡管他的理論主要是關于引力，以前理論主要是在我們自己的太陽系進行檢驗，在這里引力的主導效應比較弱。「你僅在你爬樓梯的時候才會想起地球的引力，」Weiss 說，「但是，對于物理學來說，引力的效應相比之下只是個小角色，非常微弱，沒有什么影響。「在黑洞附近就不同了，引力在那里是宇宙中最強的作用力，可以把原子撕碎。這些愛因斯坦在1916曾預言過，LIGO的實驗結果顯示愛因斯坦的方程和實際觀測幾乎是完美的一致。「他究竟怎么能知道這點?」Weiss 問道。「我多么希望在那個早晨可以把數據拿給他看，看看他臉上的反應。」

　　自從9月14號的發現，LIGO繼續觀察到可以作為引力波候選的信號，盡管這些信號沒有第一個信號那樣具有戲劇性。「我們一開始這樣折騰都是因為開始這個大信號，」Weiss 說道。「不過，我們非常高興還有別的，強度小一些的信號，說明我們最開始的發現不是單一的，瘋狂的，神經質的事件。」

標簽：引力波內幕細節

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