人类首次收到13亿光年前的信号

导语：外星人还未发现存在的踪迹，外太空又传来新的信号!网曝人类首次收到13亿光年前的信号怎么回事?据悉，美国国家科学媒体中心宣布：人类首次直接探测到了引力波!这次探测到的引力波是由13亿光年之外的两颗黑洞在合并的最后阶段产生的。经过13亿年的漫长旅行，终于抵达了地球，被美国的“激光干涉引力波天文台”(LIGO)的两台孪生引力波探测器探测到。

人类首次收到13亿光年前的信号

人类首次探测到引力波是由13亿光年之外的双黑洞合并形成的.双黑洞的初始质量分别是太阳的29倍和36倍.合并后的黑洞质量是太阳的62倍.亏损的质量以强大引力波的形式释放到宇宙，经过漫长的旅行抵达地球.下列说法中正确的是(　　)

A.牛顿预言了引力波的存在 B.双黑洞合并过程质量守恒

C.该引力波产生于13亿年前 D.引力波只能在介质中传播

答案

C【考点】人类探究太阳系及宇宙的历程.

【分析】关于引力波，在牛顿引力理论中是没有引力波的，但爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在，认为引力波与电磁波类似，以光速传播并携带能量.

【解答】解：

A、在牛顿的引力理论中是没有引力波的，但爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在，故A错误;

B、双黑洞的初始质量分别是太阳的29倍和36倍，合并后的黑洞质量是太阳的62倍，所以双黑洞合并过程质量不守恒，故B错误;

C、双黑洞碰撞发生的位置到地球的距离为13亿光年，引力波的传播速度等于光速，

所以两黑洞碰撞产生的引力波经过13亿年传播到地球，即该引力波产生于13亿年前，故C正确;

D、引力波在空间的传播方式与电磁波类似，以光速传播且不需要介质，故D错误.

故选：C.

2016年2月11日，美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)的科学家在华盛顿宣布，人类首次直接探测到了引力波。这是人类第一次能够“听”到宇宙的“声音”。

这个声音源自13亿光年前一个双黑洞的合并。合并所产生的引力波信号，经过13亿光年的漫长旅行，于2015年9月14日抵达地球，被LIGO的两个探测器以7毫秒的时间差先后捕捉到。

引力波是一种时空涟漪，如同把石头丢进水里产生的波纹一样。黑洞、中子星等天体在碰撞过程中就有可能产生引力波。1915年，爱因斯坦发表广义相对论，并在随后几年的一些论文中，预言引力波会产生于强引力场的天体事件中。

人类首次收到13亿光年前的信号

美国国家科学基金会(NSF)召集了来自加州理工学院、麻省理工学院以及LIGO科学合作组织的科学家在华盛顿特区国家媒体中心宣布：人类首次直接探测到了引力波!

这次探测到的引力波是由13亿光年之外的两颗黑洞在合并的最后阶段产生的。两颗黑洞的初始质量分别为29颗太阳和36颗太阳，合并成了一颗62倍太阳质量高速旋转的黑洞，亏损的质量以强大引力波的形式释放到宇宙空间，经过13亿年的漫长旅行，终于抵达了地球，被美国的“激光干涉引力波天文台”(LIGO)的两台孪生引力波探测器探测到。

什么是引力波?

在物理学上，引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动，如同石头丢进水里产生的波纹一样，引力波被视为宇宙中的“时空涟漪”。通常引力波的产生非常困难，地球围绕太阳以每秒30千米的速度前进，发出的引力波功率仅为200瓦，还不如家用电饭煲功率大。宇宙中大质量天体的加速、碰撞和合并等事件才可以形成强大的引力波，但能产生这种较强引力波的波源距离地球都十分遥远，传播到地球时变得非常微弱。

1974年物理学家约瑟夫·泰勒(Joseph Hooton Taylor, Jr)和拉塞尔·赫尔斯(Russell Alan Hulse)发现了一颗编号为PSR B1913+16的脉冲星，他们发现该脉冲星处于双星系统中，其伴星也是一颗中子星。根据广义相对论，该双星系统会以引力波的形式损失能量，轨道周期每年缩短76.5微秒，轨道半长轴每年减少3.5米，预计大约经过3亿年后发生合并。

自1974年，泰勒和赫尔斯和对这个双星系统的轨道进行了长时间的观测，观测值和广义相对论预言的数值符合得非常好，这间接证明了引力波的存在。泰勒和赫尔斯也因这项工作于1993年荣获诺贝尔物理学奖。

共振型引力波探测器

上世纪60年代，马里兰大学的物理学家韦伯(Joseph Weber)首先提出了一种共振型引力波探测器。该探测器由多层铝筒构成，直径1米，长2米，质量约1000千克，用细丝悬挂起来。当引力波经过圆柱时，圆柱会发生共振，进而可以通过安装在圆柱周围的压电传感器检测到。韦伯曾经在相距1000千米的两个地方同时放置了相同的探测器，只有两个探测器同时检测到相同的信号才被记录下来。1968年，韦伯宣称他探测到了引力波，立刻引起了学界的轰动，但是后来的重复实验都一无所获。

激光干涉引力波探测器

上世纪70年代，加州理工学院的物理学家莱纳·魏斯(Rainer Weiss)等人意识到用激光干涉方法探测引力波的可能性。引力波的探测对仪器的灵敏度要求非常高，要能够在1000米的距离上感知10^-18米的变化，相当于质子直径的千分之一。直到上世纪90年代，如此高灵敏度所需的技术条件才逐渐趋于成熟。

1991年，麻省理工学院与加州理工学院在美国国家科学基金会(NSF)的资助下，开始联合建设“激光干涉引力波天文台”(LIGO)。LIGO的主要部分是两个互相垂直的干涉臂，臂长均为4000米。在两臂交会处，从激光光源发出的光束被一分为二，分别进入互相垂直并保持超真空状态的两空心圆柱体内，然后被终端的镜面反射回原出发点，并在那里发生干涉。若有引力波通过，便会引起时空变形，一臂的长度会略为变长而另一臂的长度则略为缩短，这样就会造成光程差发生变化，因此激光干涉条纹就会发生相应的变化。

两台孪生引力波探测器分别在华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的列文斯顿，彼此相距3000千米。只有当两个探测器同时检测到相同的信号才有可能是引力波。LIGO于1999年初步建成，2002年开始运行。

2007年，LIGO进行了一次升级改造，包括采用更高功率的激光器、进一步减少振动等。升级后的LIGO被称为“增强LIGO”。2009年7月，增强LIGO开始运行直到2010年10月结束。

在2002年到2010年期间，LIGO没能探测到引力波存在的可靠证据。

2010年，LIGO进行了为期五年的重大升级改造，改造之后的探测器灵敏度要求提高10倍，被称为“先进LIGO”。2015年9月18日，先进LIGO开始试运行。据悉，本次探测到的引力波是升级前的LIGO于2015年9月14日探测到的信号。

目前主流的引力波探测器都是这种基于迈克耳孙干涉仪的原理。世界范围内，除了美国的LIGO引力波探测器之外，还有德国和英国合作的GEO600、法国和意大利合作的VIRGO、日本的TAMA300以及计划中的LCGT、澳大利亚计划中的AIGO以及印度计划中的LIGO-India。

地基探测器探测引力波的频率范围是1赫兹~10^4赫兹。除了地基引力波探测器之外，科学家也在积极筹备“激光干涉太空引力波天线”(LISA/ eLISA)。理论上，eLISA探测引力波频率范围为10^-5赫兹~1赫兹。

值得一提的是，科学家也在利用一种叫“脉冲星计时阵列”(PTA)的射电天文方法探测更低频率(纳赫兹)的引力波。PTA与eLISA、LIGO在探测频率上形成互补关系。

引力波探测的意义?

引力波天文学将是继传统电磁波天文学、宇宙线天文学和中微子天文学之后，人类认识宇宙的全新窗口，必将引发一场天文学的革命。

引力波探测除了能够检验广义相对论之外，还有助于证明其它版本的引力理论正确与否，还将推动引力量子化的研究，最终把引力融入其它三种基本相互作用，完成爱因斯坦的伟大梦想。

引力波像其它的波一样，携带着能量和信息。电磁波(宇宙背景微波辐射)只能让我们看到大爆炸38万年之后的景象，而引力波能够让我们回望宇宙大爆炸最初瞬间，检验宇宙大爆炸理论的正确与否。

人类首次收到13亿光年前的信号

美国国家射电天文台NRAO科学家Spolaor发现，VLA甚大阵使用了一种新的监控软件后确定了能源源地位，距离我们竟然达到30亿光年，这是一个古老的矮星系，可以说其濒临灭绝，因为新生的恒星几乎没有。在奥秘电波被锁定地位之后，有科学家猜测这会不会是地外文化试图接洽地球的信号?

目前一种比较可靠的解释这是一种罕见的活跃态超新星残骸，内部有一颗磁星，不断发出强大能量的宇宙电波。

如果VLA甚大阵发现的9次爆发均来自这个遥远的矮星系，那么其他快速射电暴的机制是否也是这样?要知道其中一些射电暴被认为就在咱们银河系周围，不论如何这个事件的真相已经让人怀疑这个世界，在宇宙中还有更多使人想不到的器械呈现，亦或是自然天体现象，亦或是地外文化。

也有学者相信这是地外文化的联络信号，那它们要告诉咱们什么，为何要这么做?

这样的联结是否具有可操作性和安全性，在搞不清问题之前，最好还是不要乱搞，诸如1974年向M13球状星团发送的联结信息不停被前人诟病，就像你在森林里大喊我在这里，说不定会把狼招来。

人类首次收到13亿光年前的信号

钛媒体注：在中国人最愉快喜庆的春节，美国科学家们宣布了科学界重大发现。“我们成功检测了引力波!” 美东时间2016年2月11日10点30分(北京时间23点30分)，美国激光干涉引力波天文台(LIGO)执行主任大卫?6?1瑞兹宣布。

2016年恰好是爱因斯坦提出相对论的一百周年，但是爱因斯坦当时预言引力波存在的同时，也预言了引力波是不可探测的。显然，人类科技进步的速度在百年时间内也超出了爱因斯坦当年的想象。

“引力波”在过去一直只能是“科幻”一般存在于各类科幻小说和科幻电影中，在大热的中国科幻小说《三体》中，“引力波天线”曾经拯救了几乎快要被灭族的人类。在电影《星际穿越》中，男主角也通过引力波穿越时间和空间给女儿传递信息。

在今天位于华盛顿的发布会上，大卫?6?1瑞兹表示，正如望远镜开辟了现代观测天文学，引力波的发现，开辟了人类观测宇宙一扇新窗。

五个月前，LIGO真实地捕捉到了引力波信号，科幻再次照进现实。世界协调时间2015年9月14日9:51(北京时间17:51分)，位于美国路易斯安那州列文斯顿和华盛顿州汉福德的两个LIGO探测器探测到了引力波信号，LIGO把这次发现命名为GW150914。

基于观测到的信号，LIGO的科学家们估算出信号GW150914是由两个质量分别为36倍以及29倍太阳质量的黑洞合并而成的，合并后形成的单一黑洞质量约为62倍太阳质量。即大约三倍于太阳质量的物质在短短一秒之内被转化成引力波，其功率峰值是整个可见宇宙总功率的50倍。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，我们还推定这一合并后产生的黑洞存在自转，这种自转的黑洞最早是在1963年由数学家克尔(Roy Kerr)提出的。因此可以说，LIGO探测设施此次是探测到了发生在很久很久之前，在一个遥远星系中发生的一次重大事件!” LIGO官方如是说。

根据广义相对论，一对黑洞在相互绕转过程中通过引力波辐射而损失能量，逐渐靠近。这一过程持续数十亿年,在最后几分钟里面快速演化。在最后一秒钟内，两个黑洞以几乎是一半光速的超高速度碰撞在一起，并形成了一个质量更大的黑洞。根据爱因斯坦的E=mc2公式，这个过程中一部分的质量转化成了能量，而这些能量在最后时刻以引力波超强爆发的形式辐射出去。LIGO观测到的引力波信号就是这样来的。

事实上，GW150914所发出的引力波的辐射功率要比整个可观测宇宙中所有恒星和星系的光度加在一起的总和还要多出10倍。

什么是引力波?引力波是加速中的质量在时空中所产生的波动，也被比喻为时空的“涟漪”。爱因斯坦在1916年提出广义相对论，认为引力是由于质量所引发的时空扭曲所造成，任何有质量的物体加速运动都会对周围的时空产生影响，其作用的形式就是引力波。

世界科学界公认，引力波探测是难度最大的尖端科技之一，也是一项意义重大的物理学基础研究。作为爱因斯坦广义相对论中最重要但一直未被证实的预言，引力波是物理学王冠上最耀眼的一颗明珠。

1915年，爱因斯坦发表了场方程，建立了广义相对论。 在之后的这一百年里，被誉为“人类认知自然最伟大的成就” 的广义相对论一直在成长中，我们知道了时空的弯曲以及一些由时空弯曲可能产生的奇异事物，比如黑洞、引力波、奇点、虫洞甚至时间机器。

然而，在过去历史中的某些时期，甚至现在，其中有些事物对它们是否存在提出过强烈的怀疑。就连爱因斯坦本人直到逝世前都还在怀疑黑洞的存在。

广义相对论告诉我们：在非球对称的物质分布情况下，物质运动，或物质体系的质量分布发生变化时，会产生引力波。在宇宙中，有时就会出现如致密星体碰撞并合这样极其剧烈的天体物理过程。

过程中的大质量天体剧烈运动扰动着周围的时空，扭曲时空的波动也在这个过程中以光速向外传播出去。因此引力波的本质就是时空曲率的波动，也可以唯美地称之为时空的“涟漪”。德国马普引力物理所、清华大学博士后，LIGO科学合作组织成员胡一鸣发布评论说，如果并合过程中释放的所有能量以可见光的形式辐射出来，那么即便它发生在10多亿光年之外，它仍将在一瞬间比满月更耀眼!可是如此巨大的能量，在经过地球时，却仅仅耗散了10-17焦耳的能量，相当于一个X射线光子的能量。纵是弱水三千，我只能取一瓢饮之，引力波的探测之难，亦不难想见。

1915年，爱因斯坦用那美妙的场方程道出了引力的奥秘――时空命令物质如何运动，而物质引导时空如何弯曲。爱因斯坦很自然地就联想到，当物质在时空中运动时，时空会如何随之改变呢?很快，他就得到了一个他称之为引力波的数学解。当一列引力波向你迎面走来时，你会忽而又高又瘦，忽而又矮又胖，并且循环往复――当然，这个变化实在是非常的微小，所以爱因斯坦很快就断言，引力波无法被探测到。

这是人类第一次探测到可以改变时空运动的引力波，也是对爱因斯坦相对论的一次伟大证实，是人类认知历史和科学发展史上一次里程碑式的发现。

引力波是如何被探测到的?

既然连爱因斯坦都预言，引力波无法探测，那么LIGO又是如何被探测到的?

根据官方公布的情况，这一信号首先是由被称作“低延迟搜寻方法”的手段识别出来，该方法经过设计，专门用于对大量数据进行快速判别，其可以在不对信号波形进行细节识别的情况下快速判断出于引力波信号的特征。这一快速搜寻程序在相关信号数据下载后不到3分钟的时间里便识别出了可疑信号并向科学家发出了报告。

随后研究人员开始对这一信号进行进一步分析并与数据库中大量可能的理论波形数据进行比对，这一过程被称作“匹配滤波”，其目的是找到与所收到的信号数据吻合度最好的波形。

此次获得的数据明确指向一个结论，即GW150914信号是由两个黑洞的合并过程产生的。从最前面分析图上可以清晰看到，根据LIGO汉福德观测站所获得数据对于引力波模式的重建(灰色)与根据广义相对论原理构建的双黑洞合并释放引力波波形模式(红色)两者之间存在惊人的吻合。

LIGO官方称，通过将实测数据与理论波形预测进行对比，使得我们能够检验广义相对论是否能够完全描述这一事件。结果表明广义相对论完美通过了检验：我们所有的观测数据均与广义相对论的预测完全吻合。我们同样也能够运用这些数据来推测产生引力波信号GW150914的天体系统的一些特征，包括这两个黑洞在相互合并之前各自的质量大小，合并后形成的单一黑洞质量大小以及这一双黑洞系统到地球的距离远近。

LIGO(激光干涉引力波观测台)是世界上规模最大的引力波观测实验室，同时也是世界上复杂程度最高的物理学实验室之一。它由两座大型激光干涉实验设施组成，两者相距数千公里，分别位于美国路易斯安那州的列文斯顿和华盛顿州的汉福德。LIGO利用光和空间所具有的基本特性开展引力波的探测工作。这一探测原理最早是在上世纪60~70年代提出来的。

在2000年前后世界上先后建成多座引力波干涉仪探测设施，如日本的TAMA300、德国的GEO600、美国的LIGO和意大利的Virgo等等。在2002年至2011年间，这些探测设施进行了联合观测，但最终没有取得有价值的探测结果。而在经过大规模技术升级之后，2015年LIGO设施再次开始运行，这将是一个技术复杂程度高得多的全新全球性引力波观测网络中投入运行的第一台设施。

在LIGO的两个天文台中，全长4公里的L形的LIGO干涉仪将激光分成两束,(投黑马www.tou.vc专注于文创领域的众筹平台)并在两个干涉臂之间来回穿梭(1.2米直径的管道内保持着近乎完美的真空)。两束激光可以用来以极高的精度测量干涉臂尽头处镜子的位置。

引力波导致的空间拉伸或压缩程度与引力波本身的强度直接相关，这种空间变形通常都非常非常小。对于我们能够探测到的典型引力波信号，空间的变形幅度大约相当于一颗质子直径的万分之一不到。但LIGO实验室具有惊人的高灵敏度，它能够检测到这种程度的空间变形!

不过，为了能够顺利探测到类似GW150914这样的引力波信号，LIGO探测器除了必须具有惊人的高灵敏度之外，还必须能够有能力将真实的引力波信号从大量噪音信号中区分出来。这样的噪音信号有千千万万：比如由于环境变化或设备因素产生的微小扰动，这类信号很容易将科学家们苦苦寻找的真实引力波信号遮蔽掉。

这也是为何LIGO会 选择在两个相距遥远的不同位置分别建立两套完全一样的观测设施的原因，因为这将让我们能够排除本地仪器故障或环境因素导致的干扰信号，因为只有真正的引力 波信号才会同时在两处探测设施中同时出现。当然严格来说可能会间隔千分之几秒，因为还要考虑引力波从一处设施传播到另一处设施所需要的时间。

另外，采用至少两个站点的理由还有很重要的一点：当引力波探测网络中包含了两台或更多探测站点之后，我们就将能够与信号源之间构成一个三角形，从而锁定发射源在天空中的位置。观测网络中参与进来的观测站点越多，信号源在天空中的位置就能被更为精确地测定。

“要实现这一里程碑式的美妙发现,需要全球的科学家们一起合作――在GEO600探测器上开发出来的激光与悬挂减震技术使得Advanced LIGO成为了有史以来人类建造的最为精妙、灵敏的引力波探测器。”格拉斯哥大学物理与天文教授希拉?9?9罗恩(Sheila Rowan)如是说。

独立而又相距极远的天文台，对于引力波事件的方向定位，以及排除局部噪音、确认信号来自空间而言，非常重要。