張雙南：「慧眼」中的引力波
雙中子星併合模擬圖
圖片來源：ESO/L. Cal?ada/M. Kornmesser
昨夜今晨，全球數十家天文機構同時宣布了個「前所未有」的重大消息——人類第一次探測到了雙子星併合產生的引力波。
天文學界對於引力波的關注由來已久。
早在1916年，愛因斯坦基於廣義相對論就預言了引力波的存在。
2016年2月11日，LIGO科學合作組織和Virgo合作團隊宣布他們已經利用高級LIGO探測器，已經首次探測到了來自於雙黑洞合併的引力波信號
就在不久前的10月3日，瑞典皇家科學院剛剛宣布將2017年諾貝爾物理學獎授予三位引力波探測計劃的重要科學家，以獎勵他們在「LIGO探測器以及引力波探測方面的決定性貢獻」。
如果說首次觀測到引力波意味著人類打開了觀測宇宙的新維度，意味著人類終於「聽」到了來自宇宙的「聲音」；那麼這次雙中子星併合事件，則意味著人類首次同時「看到」並「聽到」了來自宇宙深處的信號。
「慧眼」望遠鏡
那麼，究竟引力波是什麼？研究它的意義在哪裡？「慧眼」衛星對引力波研究有什麼作用？而此次全球天文機構共同發布的這次科學發現的意義又在哪裡呢？
中國科學院高能物理研究所粒子天體物理中心教授、「慧眼」衛星首席科學家張雙南不久前在第一財經頻道播出的《未來簡說》節目中就這一話題進行了精彩和全面的演講。
今天，小編就把節目內容分享給大家。
以上視頻來自於
第一財經頻道近期播出的《未來簡說》節目
從《星際穿越》到「慧眼」衛星
張雙南
中國科學院高能物理研究所粒子天體物理中心教授
《星際穿越》里關於引力波的故事
《星際穿越》是我特別喜歡的一個硬科幻的電影，《星際穿越》這個電影，它的主題是關於人類未來的命運，也就是說我們人類的未來到底會在哪裡。那麼由於各種各樣的原因，我們人類是不可能永遠在地球上面的，地球是我們目前人類唯一的家園，但是總有一天，我們人類必須要離開地球，要到另外一個地方去。
當然，我們從天文學研究的角度來講，我們知道有各種各樣的可能性。我們要想離開地球，怎麼離開地球呢？要想人類整體上離開地球，那這是沒有辦法做到的，原因就在於我們現在沒有辦法來操控引力，如果我們能夠控制這個引力，讓這個地方引力變小，人類整體上離開地球，到另外一個地方去就有可能了。但是，今天我們做不到這一點；在可以預見的未來，我們也不知道有什麼辦法能夠做到這一點。
但電影上，布蘭德教授說：「我研究了引力的理論，我發現我們目前由於對於引力理解不夠，所以我們沒有辦法控制引力，沒有辦法能夠很方便地讓人類離開地球。但是我現在有一個理論，如果我這個理論能夠成功的話，我們就能夠控制引力，讓人類離開地球」。
他希望能夠深入的理解引力，以至於最後能夠控制引力。因為我們知道，任何科學理論，我們要想應用它，我們就要理解它；要想理解它，就必須要經過實驗或者觀測的驗證。
那麼這個布蘭德教授就說了，我們要想做到這一點，我現在這個理論有了，但是需要數據來驗證它。那麼這個數據在哪裡？就在一個超大質量黑洞的內部，而這個黑洞是高速自轉的，那麼就需要送電影上面的男一號庫珀到黑洞裡面去把裡面的量子數據拿回來，這樣就可以和布蘭德教授的理論進行對比，然後使得這個理論能夠完善，最後能夠解決人類未來命運的問題。
但是問題來了，天文學家們發現，宇宙當中確實有這樣的黑洞，但是離我們非常非常地遠。遠到什麼程度？至少上萬光年。但是我們地球上已經沒有足夠的食物了，我們能等這麼長的時間讓他去獲得這個數據，再回來來檢驗這個理論，拯救人類嗎？
當然我們等不了那麼長的時間。我們就需要讓電影裡面的男一號能夠很快地到那個黑洞去，把數據拿回來解決這個問題。
那怎麼辦？電影的科學顧問、非常有名的一個做引力物理研究的專家，加州理工大學的教授索恩教授，他建議說，我們可以用蟲洞。蟲洞是什麼呢？蟲洞就是說，不管這兩點之間的距離有多遠，你如果放一個蟲洞在這個地方，你就可以在這兩點之間建立一個非常近的一個通道，那麼你經過這個通道過去，儘管是穿越了非常長的距離，比如說上萬光年的距離，但也可能僅僅是幾年的時間，你就可以實現了。
所以這是電影裡面，通過這麼一個科幻的途徑來實現、來解決這麼一個科學的問題。
那麼怎麼找到這個蟲洞呢？這個電影上就說了，我們的科學儀器聽到了宇宙遠處的引力波。但是引力波這個事情是非常難探測到的，怎麼突然間就聽到了引力波了呢？他們說，哦，原來48年前在那個地方出現了一個蟲洞，等了48年，從那個蟲洞另外一端的引力波的信號就到來了，所以通過這種辦法，他們找到了一個蟲洞，當然也是發現了引力波的信號。
所以這是電影上面用引力波這件事情為我們找到了一個蟲洞，然後當然就可以實現星際穿越，就解決了電影裡面的這麼一個問題。
我們知道《星際穿越》電影是2014年的時候，我們都能夠看到的，也就是說在科幻電影裡面，通過蟲洞在2014年就發現了引力波，那麼利用這個蟲洞，這個電影把它的男一號，還有女一號送過去了，送到黑洞那個地方去，幾乎瞬時地過去獲得了這個數據，又幾乎瞬時地穿越回來，實現了星際穿越，解決了科學問題，完善了引力理論，最後拯救了整個人類。
當然在現實當中，我們並沒有真的發現蟲洞。我們人類未來的命運當然不能依靠科幻來解決，我們還是要通過科學研究來理解引力規律，也許這能夠對我們人類未來的命運有所幫助。
探測到引力波，是本世紀最重大的科學發現之一
在現實生活中，我們並沒有真的發現蟲洞，人類未來的命運也不能依靠科幻來解決，還是要通過科學研究來理解引力規律，也許能夠對人類未來的命運有所幫助。
去年，人類真的發現了引力波。
首先，介紹一下引力波它的基本概念。按照牛頓的引力理論說，太陽和地球之間有吸引力。在愛因斯坦的廣義相對論裡面，由於太陽的質量很大，導致周圍的空間都彎曲了，當地球在這個彎曲的空間裡面運動的時候，它以為它在走直線，其實空間彎曲了，它走了個彎道回來了，所以引力就是時空彎曲直接的效果。
如果有兩個質量很大的天體，每一個都導致它周圍的空間彎曲了，然後他們相互繞著運動，彎曲的空間就開始向外傳遞，就像水面的漣漪，這裡傳遞的是空間，這就是引力波。
LIGO實驗室2016年2月11日的時候，宣布聽到了愛因斯坦100年前所預言的引力波，而這個實驗和我們《星際穿越》這個電影是非常有關係的，這個實驗的發起人就是《星際穿越》電影的科學顧問索恩教授。他幾十年前提出了要做這個實驗，這個實驗做了幾十年，一直做到2014年的時候，當時引力波還沒有被發現，估計他等不及了，就拍了一部電影，在電影里發現了引力波。
但是終於去年的時候，他所領導的這個實驗真的就探測到了引力波。我們學術界都認為2017年的諾貝爾物理學獎應該會授予他。【張教授的演講時間為2017年8月，兩個月後，索恩教授和他的兩位同仁分享了本年度的諾貝爾物理學獎。——編者】
這個科學發現是一個世紀以來最重大的科學發現之一，也是廣義相對論理論最重要的一個預言終於得到了驗證，所以這是非常重要的一件事情。
那麼LIGO實驗室它聽到的引力波是一個什麼情況呢？實際上是兩個黑洞，每個黑洞的質量都是我們太陽質量的大約三十倍。這兩個黑洞相互繞轉，它在離我們13億光年遠的地方最後撞到了一起，產生了引力波。
這麼多年以來大家一直都期待著LIGO實驗室能夠聽到引力波信號，同時大家也希望能夠看到，它的引力波信號產生的時候，這樣的天體到底是什麼樣的天體，所以地面上的、還有空間上的各種望遠鏡一直在時刻準備著，當LIGO實驗聽到引力波的時候，把我們的望遠鏡轉過去，來看引力波信號產生的時候，那個地方的天體。
從「聽到」，到既「聽到」又「看到」
就在2016年2月11日，LIGO團隊宣布發現引力波的同一天，美國NASA的一個費米空間天文台宣布，他們真的看到了來自引力波爆發時候的伽馬射線暴。他們說這個信號是LIGO探測到引力波信號之後0.4秒鐘就到達了他們的探測器，換句話說幾乎是同時發生的，所以他們認為，他們確實是看到了信號。
我在這個地方給大家簡單地介紹一下伽馬射線暴到底是什麼。
伽馬射線暴實際上是非常粗暴的非常猛烈的一種爆發，在我們觀察到伽馬射線爆發的很短的時間之內，它所釋放的伽馬射線的總的能量比在這一段時間之內，宇宙當中所有的天體釋放的伽馬射線的能量，加起來都還要高，所以被稱為宇宙大爆炸之後，最劇烈的爆發現象。
那麼如果引力波產生的時候也產生了這麼壯烈的伽馬射線暴，這當然是非常激動人心的一件事情；但是同時也在天空當中工作的歐空局的另外一個伽馬射線空間天文台他們宣布，在那個時候，他們的伽馬射線望遠鏡也在運行，但是他們沒有看到伽馬射線暴的任何信號，而且他們聲稱，他們的儀器在那個時候運行的狀況還非常地好，但是沒有看到。
於是到底能否在聽到引力波的時候也能夠看到伽馬射線暴就成了一個懸案。
中國探測引力波的「慧眼」
下面我給大家簡單地介紹一下，我擔任首席科學家的硬X射線調製望遠鏡衛星，我們也稱它為「慧眼」衛星。
這是一個中型的衛星，總重量2.5噸，目前運行在距離地面550公里的高度上面。
通常這個高度，我們把它叫做近地衛星，因為離地球還是比較近的。這個衛星它在做天文觀測的時候，有幾種不同的模式，我們可以對銀河系進行掃描，然後它還可以對我們想要仔細看的天體進行精確地觀測，同時它可以做伽馬射線暴的觀測。
2017年6月15號，這個衛星在酒泉衛星發射基地順利發射運行。
我們這個衛星對於伽馬射線暴有個非常好的探測能力，一共有18個探測器，是國際上伽馬射線波段面積最大的一個探測器，與去年2月11號宣布看到了引力波爆發時候的伽馬射線暴的望遠鏡相比，「慧眼」衛星的有效面積要大得多，我們預期「慧眼」每年將會看到一到兩百個伽馬射線暴。
我們這顆衛星已經開始了正式的科學研究，送回了很多數據，開始了正式科學的研究，已經開始給我們送回了很多的數據，這只是我們探索宇宙的第一步。
隨著我們國家航天技術的發展和國力的增強，未來肯定要建造功能更加強大的空間天文台，將來十年到二十年裡面建設在國際上領先的空間X射線天文台，在我們國家的空間站上面也會做非常好的實驗，我今天給大家的分享，謝謝大家！
【編者按：在昨夜今晨的科學發現公布後，張雙南教授表示：「這一次，不僅僅激光干涉引力波天文台聽到了兩個中子星結合的歡快的聲音，天文望遠鏡也看到了它們相愛迸發的煙花。耳聽為虛，眼見為實！從此，人類終於耳聰目明了！未來引力波天文學的一個極為重要的方向就是所謂的『多信使』天文學，也就是不但要『聽到』天體發出的美妙的引力波，還要『看到』這些天體的倩影。
慧眼天文衛星也參加了這次創造了天文學歷史的全球大聯測，我感到十分自豪。我和同事們那天（2017年8月17號）夜裡用慧眼衛星對這個事件進行了觀測和幾乎實時的數據分析，迅速發布了觀測結果（我還因為在辦公室打了個盹而小小地感冒了一場）。
因為慧眼衛星的貢獻，慧眼團隊的110位科學家作為中國的一個大型科學團隊，帶著慧眼的結果加入了這個「天文記錄」（全球將近一千個單位的三千多個作者）的歷史性論文。當然，作為慧眼衛星的首席科學家，我更關心的是，慧眼衛星能否看到產生引力波的時候綻放出伽馬射線煙花。慧眼，加油！」】
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