大家好，欢迎来到《天文探秘》课堂。本课程主要简单介绍天文学的基本知识，包括宇宙和星系、引力和暗物质、太阳和太阳活动、恒星和致密星（黑洞）、以及系外行星 等多个领域和方面。通过本课程的学习，你能够系统地了解到很多不曾了解的事实，惊奇地发现许多令人惊叹的奥秘。 本课程总共十周，由五位老师共同授课（各位老师均为相关领域的专家）、每人两周。课程以介绍基本知识为主，尽量避免复杂公式的推导和计算，所以难度不大，但知识点比较多。学习者通过观看视频学习，然后完成每周小测即可。最后总成绩即为每周小测成绩之和。 《天文探秘》课程是一门难得的好课，期待大家的加入，让我们一起探索神秘的宇宙！
爱因斯坦最后的预言：引力波
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來自 Nanjing University 的課程
天文探秘
64 個評分
從本節課中
暗物质
本章节主要介绍宇宙中一类特殊的物质——暗物质，作为一种重要却又无比神秘的东西，人们对它充满了兴趣。本章介绍它的发现、研究和寻找工作。
與講師見面
施勇教授
天文与空间科学学院
谢懿副教授
天文与空间科学学院
陈鹏飞教授
天文与空间科学学院
李向东教授
天文与空间科学学院
周济林教授
天文与空间科学学院
从天文上来讲，跟天文有关的产生机制主要有三种， 第一种，超新星爆发，就是这个。
咚，炸了，超新星爆发，这样产生的引力波呢， 是一个脉冲型的，因为炸了就短暂的一个过程对吧，炸了就炸了，
这个就这样一个砰，一个脉冲，完了。
这个还有一种，两个 双星互相的绕转，绕转的时候它会辐射引力波。
这个时候呢， 这个引力波会带动整个系统的动量和能量，这个轨道就会收缩， 这个间接证据就来自这个。
如果说这个两个双星中呢， 都是中子星的话，我们通过监测一个中子星，这个中子星会发出脉冲
信号，我可以非常精确地监测它的脉冲信号到达地球的时间， 我可以推测出，这两颗星之间轨道收缩的速度有多快。
如果和爱因斯坦广义相对论的这个预言，就引力波带走的预言相符的话，那我就成功了。
事实上，七十年代那两个人就成功了，发现了确实如此，这两个人在93年拿的诺贝尔奖。
就是这个，引力波的间接预言，这是间接预言。
还有一种就跟我们刚才壁膜有关的， 宇宙的整个大爆炸，也会产生引力波。
这个就会对后面的壁膜产生影响，我们来先不谈这个，到后面再说到底什么叫壁膜。
这个引力波呢，它是一种震动，就是波嘛，
对吧，震动，这个震动呢，有两种模式，一种叫+模式，一种叫×模式， 这是我们中文说法。
+模式就是说， 在这个上下左右这个震动拉伸的这么一个模式，
这个×模式呢，就是在斜的45度方向上拉伸的这么一个模式，拉伸物质，拉伸物质。
这个于是乎呢，你就会通过这个给你一个探测的 方案，这个我们后面会讲。
那么大自然的引力波大致有什么哪些呢？ 或者哪些探测手段呢？这个在上面这张表，这张图
里面列出来，这个，这个红色的部分呢，是引力波的频率， 频率，多少赫兹多少赫兹，当然它是以对数形式的。
然后我们可以看到这边有双星的绕转， 有大质量，超大质量黑洞吸积小的天体，
有这个脉冲星的在这个地方，下面这个中子星的，还有其他的一些。
下面是探测的手段。
这个是地面上的激光干涉的引力波震，这个我后面再讲， 这个呢是太空中的，这个是通过脉冲星监测，这个是通过
宇宙微波背景，就是壁膜的那个探测，我来一个一个讲。
这个是地面上的刚才，这个，就是这个，地面上的，其实
这就是一个Michelson-Morley实验，你有两面镜子，或者四面镜子，这个都- 是一样的。
这个激光从这发射出来之后，经过这面镜子分成两路，然后呢它就在这两个臂长里面来回- 地反射，
干什么用呢，探测，精确的探测这两个臂之间的长度，因为当引力波过来的时候，
这个它会拉伸物质之间的距离，它会震荡嘛对吧，它会拉伸 之间的距离，通过测量这个距离变化，我会知道有没有引力波。
但你说为什么要做两条臂呢？你看这有两个臂对吧，互相成直角的。
这就是刚才说的，它的震动拉伸是成模，有模式的对吧，要么这边拉伸，要么这边拉伸， 要么是斜的45度拉伸。
所以，如果你探测到一个信号，它两头都在拉伸， 就是这条臂也在拉伸，这条臂也在拉伸，那它肯定不是引力波，对吧，因为如果是引力波的话-
，应该是这头拉伸，那头被压缩， 就是这样的一个效应。
回到刚才看到的这个，对吧， 只能是先从圆的开始，然后在这头被拉缩，拉伸，那头被压缩，然后是再被回到来，再被压扁。
所以再一个垂直的方向上面，只能是一个地方在拉伸，一个地方在压缩，或者是相反，只能是- 这样的一个过程。
所以为什么要做两条臂，就是这样的一个道理，这是地面上的。
这个目前，在美国，在意大利，
在澳大利亚，在日本，都有这样的探测器，包括还有在德国，美国的叫LIGO，
L-I-G-O，LIGO，LIGO进入了第二阶段的改装，
就是为什么呢？这个有个麻烦，引力波探测有个麻烦，这个镜子呢，
尽管是在真空管里面，但是这个真空管里面呢，这个镜子是要被 吊起来的，你要让它自由震荡嘛，你得让它吊起来。
吊起来的时候，最终呢，你还得是跟地面相连的对吧，在空中，在地球上没办法 让它飘在空中，跟地面相连。
这个东西实在太灵敏了，灵敏到什么程度呢， 旁边有一群羊过去的时候，里面就开始有信号了。
真的，有一个车过去了，有信号了，飞机啊，飞机过来了，还没着陆呢，飞机过来了，都有- 信号了。
这个所以它对地面的震动非常的敏感， 这个是限制在地面上探测引力波的一个很重要的因素。
所以为什么叫LIGO要升级呢，他就把这个镜子悬挂在好多的这个单摆上面，
单摆上面，通过单摆来隔绝掉震动， 所以这个是现在正在做的一件事情。
如果这个升级完成之后，他们预期，预期啊，
在2017年1月份左右，应该会探测到真正的引力波的 现象，如果能探测到的话。
这个LIGO还有很多很有意思的故事， 这个这东西，大科学家奋斗了十几年了，
这个管理层说了，这个大家都审美疲劳了，这么多年什么也没探测到，得了，我们来一次- 预演吧。
管理层有一天晚上偷偷地，偷偷地把假信号注入到
实验装置里去了，第二天，科学家一来，兴奋了， 哇塞，老王，有信号了，赶紧分析吧！
这个当有信号的时候，大家都吃惊了，因为 谁都知道，这绝对无疑是另外一个诺贝尔奖的工作，对吧。
很多尽管科学家有时候不是那么功利，但是我们动不动就说向下一个诺贝尔奖发起冲击啊， 这也到底是有显示度的事情。
这个但是呢， 这个没有经过证实之前，谁也不敢发表，对吧，谁也不敢公开，上面下了封口令了，
谁也不许对外说，我们内部先分析，这个排除一切不可能和可能情况之后， 如果真是，我们再公布。
这也是合情合理的嘛，对吧，毕竟这个东西噪音那么强，羊过来都是，你别到时候不是，这不- 是被人笑话嘛，对吧。
这个于是乎他们给它起了一个代号，叫大犬，大犬引力波，为什么，这个经过探测，它可能是
从大犬座方向来的，至于是什么，具体哪个方向说不出来，反正是大犬座，给它一代号，- 大犬座。
好好好，开始分析，分析了差不多一年的时间。
不是，这个引力波的数据处理是一个很难的事情，为什么呢，
噪音比信号还强，你知道吧，噪音比信号还强，所以你要把这个信号抽出来，
是个很难的事情，很多人都在干这样的工作，其实这个有很多的现实意义，知道什么吧， 给你们举个例子，潜艇。
潜艇在水下航行的时候，它通过声呐来这个探测周围的目标对吧，
其实海洋里面水声条件老复杂了，这个声呐回波的信号 远远，很多的时候，都没有背景的信号，就是海洋的洋流的这个信号强，
所以，很多的人在搞一项研究就是说，怎么把这么强的噪音给去掉，把声呐信号
先找到，这可是关系到人命的，你先开火和他先开火，我先发现敌人，我先
开火，和他先发现我他开火，这是完全两个不同的概念，对吧，这是有现实意义的。
引力波也是一样的， 这个信号比噪音要弱，他们分析，分析了一年之后，终于啊，
终于这个有结果了，科学家认为是，然后管理层说，大家先别着急，
明年我们三月份开一会，这个在加州包一舞厅，开一会，来不了的
人呢现场直播，拿这个Skype现场直播，这个我们宣布一件事情，这个到底是真的， 还是假的。
就是管理层告诉他们是真的还是假的，有一信封， 不是信封，就是跟奥斯卡颁奖礼一样，这今年最佳女主角是
谁谁谁，对吧，凯特·布兰切特， 他们那边是拍一Powerpoint，这个
LIGO整个组织的头上去，按PowerPoint，按到那边告诉大家， 是还是不是，真的信号，是他们注入的，还是，
这个多少人吊着嗓子眼了，我们当然我已经事先告诉你们不是了，他按到不是的时候， 好多人的天空都变成灰色的了，奋斗了这么多年。
但是 经过升级之后，经过升级之后，预期应该会找到，2017年，时间是2017年。
如果还没找到，如果到时候还没找到引力波，这个麻烦就比较大了。
这个理论框架的麻烦，或者是纳税人对这个 这整个实验的质疑的麻烦，就看哪个了。
这个是后面的关于 脉冲星的一个探测引力波的方式。
这个脉冲星大家都知道吧， 就是中子星形成的这样的一个天体，这个天体有一个优点，自转得非常稳定，
跟地球上的原子钟差不多。
这个时候呢，当这个脉冲星，它会发射脉冲信号，砰， 砰，砰，砰，这个脉冲信号之间的时间间隔呢，是非常固定的，
这个时候会有一个什么好处呢，如果有一束引力波从这个脉冲星的这个
信号发到地球的路程中这个穿过的话，它会拉伸这个时空，
这个时候使得它这个脉冲信号推迟 一定的时间到达地球。
但是呢，你有一个这样的观测是不够的， 为什么呢，就像刚给你说的，引力波在这个地方是拉伸，在那个地方是挤压，对吧，
所以你要在天空中观测好多的脉冲星，看到这样的一个模式之后， 在这个方向上拉伸，在那个方向上挤压，就是这个方向脉冲提前到了，
那个方向的脉冲推迟到了，你要能观测到这样的一个模式的话， 这也是对于引力波的一个验证。
这两个实验其实是互补的， 他们所针对的引力波的频率是不一样的，在刚才那个能谱上面。
所以这是竞争的关系。
这个，这个有专门有全世界有好多团队在做这样的事情。
这是一个竞争的关系。
这个，这个是另外一个方案，这个方案呢
这个，你，跟脉冲星其实差不多，只是说呢，我把脉冲星换成一个航天器，在太阳系里面
它针对的频率呢，要比刚才那个这么长距离的呢要大一些，这个，我像这个
航天器发射一个信号，这个航天器再返回我一个信号。
在这个过程中，引力波会对这个信号产生影响。
然后我去分析这个信号之后，我可以给一个引力波的上限 到底是多大，就是这样的，就是一个跟深空探测有关的一个实验。
有很多人在做，也有很多人在做。
可以告诉你。
各个，只要有一线希望，谁都不会放过这么样一个 机会。
这个是最新的一个概念。
前两天我看一文章，通过GPS卫星 也可以探测引力波，就是给一个上限啊，不是直接探测。
它会改变GPS这个 信号传播到地球上的这个过程中时空的这个弯曲程度，或者说这个 振动的模式。
我也能探测引力波。
这个细节我不讲了，我讲大家最关心的闭膜。
闭膜是这个样子的，这个由宇宙暴胀所产生的引力波。
你们知道宇宙从一个起点开始，咚的一声炸开了对吧？
然后呢，在很短的时间之后，宇宙经历了一个暴胀阶段。
这个暴胀呢，差不多是指数膨胀的这么一个阶段。
这我跟你们说过没？如果没有暴胀的话，我们这个宇宙有多大呢？
就基本上跟你这个书上面的一个句号那么大，就如果没有暴胀 的话，我们宇宙只是跟那个句号一样大。
正因为有了暴胀，我们变成了现在这个样子。
这个在暴胀的过程中，在暴胀的过程中，这个很多事情 很多物理学的疑难啊都被解决了。
什么平直性啦，宇宙为什么是平直的？ 这个反物质为什么这么少？为什么没有磁单极？都被解决了，就是这些问题。
但是暴胀 有一点，是毋庸置疑的。
甭管暴胀的过程是什么样子，我们现在可能搞不清楚，但有一点是毋庸置疑的。
暴胀它停了， [笑] 对吧？
今天没有再暴胀啊，今天再暴胀我们玩完了啊，这个马上这个包就从这么大变这么大了啊。
我也变这么大了。
[笑] 没，今天没有暴胀，但是这个暴胀在停的时候
会释放出引力波，暴胀在戛然而止的时候会释放出引力波。
这个引力波呢 会从这边开始传播往这边传。
这是一个时间啊，这是时间。
当到了宇宙诞生之后，38万年的时候，形成了我们现在看到的宇宙微波背景辐射。
物质和光子托偶了，所以形成我们今天看见的这个辐射了。
这个时候辐射会和引力波之间发生相互作用。
引力波会影响这个辐射的传播。
影响到什么辐射呢？叫偏振。
偏振大家知道吧？ 就是电磁场这个振动的某个方向啊，你们跟实际生活最关心、 最有关的呢，偏振呢 就是眼镜片。
太阳眼镜，好多太阳眼镜是拿偏振片做的。
就是某一个振动方向的光可以通过，另外振动方向的，就光电磁波振动 另外方向的光呢通不过。
这个时候呢，引力波会对这个光子形成偏振，就像这个地方。
就像这个地方，有偏振的和无偏振的。
这个有偏振的呢，叫做闭膜。
闭膜呢就是就刚才那样，朝45度角振动的。
还有一种叫异膜，异膜就是十字形振动的。
一个是从45。
我们去探测这个同样的问题 信号比噪音要弱。
这个噪音太大，早期的时候花了好多时间去探测。
这个这一次，这一次终于探测到，但是啊，但是有一个 很蹊跷的地方。
这个，他们开发布会的时候 你们仔细去看，他们开发布会的时候，这个论文啊 还没有正式发表。
就一般从学术道德或者学术规范上来讲 你要公布一个结论之前，啊不是这个，之前
你的论文至少要被某个杂志，就经过同行评议接受了之后
你再去开新闻发布会对吧？说没有说我的结果还没出来，我就先开发布会了，好像很少有这样- 的情况。
但是呢，他们这个实验呢，是在论文 被正式发表之前去开的。
你去看，这个论文在网上可以下载啊，论文下面，标题下面有一句话 这个要投到哪待定。
要投到哪个杂志待定。
你可以去网上下载看这个文章，里面都有。
这个，我不知道是好事还是坏事。
按常规的学术道德呢，一般是不赞成做这样的事情的。
这但人家这个可能因为这个太轰动了等不及了。
这个也不好说，所以这个大致是这个闭膜的探测。
现在很多人 很多人很多实验在南极都在做这样的实验。
为什么在南极呢？南极的 这个水汽比较小，可以不受干扰地在地球上研究这个微波。
因为微波对水的加热或者水对微波的这个影响还是很 严重的在其他的地方。
所以南极有很多的实验都在做这个 这被认为是下一个诺贝尔奖的这个
这个有利的竞争，对竞争的这个目标之一，所以是这样的。
好啦谢谢大家！我今天要讲的就结束了。
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