宇宙的奥秘：现代天体物理学（给孩子的科普百科，零基础入门天文学！铜版全彩印刷，精选170+NASA 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子版 mobi 在线

“宇宙的奥秘”系列之《现代天体物理学》，本书在读者了解了宇宙的历史、形成以及各个星系等的发展来历后，开始讲解形成这些种种现象的背后所依托的天体物理学。作者以超高的水准，将晦涩难懂的物理学拆分开进行逐一解惑，从引力到暗物质，再搭配上丰富的、一目了然的插图，让读者 加清晰明了理解天体物理学！

目录

质疑孕育新知

章　引力波及其他

第二章　超高能宇宙

第三章　变化的天空

第四章　寻找暗物质

第五章　大数据的挑战

第六章　宇宙将会怎样？

走向地平线

作者介绍

[意]马西米利亚诺·拉扎诺比萨大学副教授，研究引力波物理学和高能天体物理学。在比萨大学获得物理学博士学位后，他在欧洲和美国度过了几个时期的学习和研究生活。他是室女（座）引力波天文台（Virgo）和费米伽马射线卫星大视场望远镜(Fermi-LAT) 合作的成员，他的研究兴趣集中在对宇宙中 的天体的研究上，包括中子星和黑洞。他从小就对天文学充满热情，多年来他一直将研究和教学与密集的交流和科学传播活动相结合。他是科学记者，拥有费拉拉大学的新闻和科学传播硕士学位，多年来一直与包括《科学》和《共和报》在内的各种杂志报纸合作。

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章引力波及其他它们在宇宙中穿行，使空间振动。由爱因斯坦（Einstein）在一个多世纪以前预测的引力波，在 成为研究宇宙奥秘的 大工具之一。

    他再次看向纸上的计算。他已经重做了好几次，试图找到一些行不通的或某些推理错误的细节。但并没有找到，他起身离开了自己的椅子，屏住呼吸了很长时间。经过多年的重复计算和深思熟虑后， 终，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）相信了这一点：引力波确实存在。

    这位德国物理学家看向办公室的窗户，目光迷失在树木的绿色中。在移民到美国以逃避纳粹迫害之后，他于 1933 年来到了普林斯顿大学。从欧洲，他带来了在科学上取得的光辉成就，以及一些悬而未决的问题。 例如，有一个引力波的问题，使他琢磨了二十年，并常常让他陷入深思。1916 年，在他的广义相对论理论的结论引导下，他认为引力波的存在是必然的。相对论提供了对引力的全新且完整描述，这类似于 19 世纪下半叶英国物理学家詹姆斯·克莱克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）阐述的关于电磁现象的理论。此外，如果麦克斯韦（Maxwell）预测的电磁波是电磁场的结果，那么在引力场的条件下，引力波也应该存在。

    但是，随着岁月的累积，爱因斯坦心中对此也产生了怀疑，并在 1936 年与他的年轻合作者内森·罗森（Nathan Rosen）写了一篇题为《引力波真的存在吗？》的文章。我们没有该作品的原始版本，但似乎答案趋于否定。两人将文章发送给《物理评论快报》杂志的编辑人员，该杂志遵循公正的审查规则，在发表之前将其发送给了匿名评审。负责审查文章的科学家进行了一项艰苦的工作，甚至找到了一个错误，并反馈给了爱因斯坦。审查程序或同行评审在 是整个科学界的共识，但是在当时，在爱因斯坦发表了大部分作品的德国，这样的规矩并没有受到多数人的认可。于是，不习惯这种审查制度的爱因斯坦怒不可遏，撤回了文章，并将其投送给了另一本杂志。

    但是，在新助手利奥波德·英菲尔德（Leopold Infeld）的帮助下，爱因斯坦开始重新考虑匿名评审的 正建议。似乎在夏天，英菲尔德与来到普林斯顿大学不久的美国天才理论物理学家霍华德·珀西·罗伯逊（Howard Percy Robertson）进行了多次讨论，发现他与匿名评审的观点竟然神奇地相似。

    两人一起对数据进行了重新计算和讨论。之后英菲尔德便去找爱因斯坦交谈，说他也发现了那个错误。于是爱因斯坦修改了文章，甚至撤去了标题中的问号，将标题简单地改为《引力波》。

    宇宙振荡引力波是时空结构中的振荡，是爱因斯坦 1916 年发表的广义相对论的结果之一。广义相对论与牛顿在 17 世纪末提出的万有引力理论相比，又向前迈进了一步。这是对引力现象的 为复杂的描述，不再用牛顿引力这样的单一方程来优雅地表达，而是由十个“爱因斯坦引力场方程”组成的系统来表达。

    广义相对论背后的观点是，引力是时空弯曲的结果，而时空弯曲又是由物质的存在产生的。换言之，巨大物体的存在，例如恒星，会弯曲时空结构，如果一颗行星或一束光线经过，它会沿着弯曲的轨迹行进，就像被恒星“吸引”一样。

    当我们发现自己处于一个变化的引力场中时，例如，由于两颗恒星相互围绕，引力波时空以光速传播。2015 年，美国 LIGO 项目的仪器 揭示了引力波，因此我们有了一个新的、重要的研究天象的渠道。事实上，引力波被称为一种新的宇宙“信使”，天文学家可以利用它来研究天体，并结合使用传统望远镜和其他适合收集电磁波谱不同成分的仪器进行观测。由于引力是 基本的相互作用中 弱的一种，所以在地球上探测到的引力波的强度很小，而利用目前的技术，我们只能揭示 暴力现象产生的引力波，例如两个黑洞之间的碰撞和融合。当这样一种现象产生的引力波穿过地球时，我们的星球“变长”和“变短”的幅度很小，大约相当于原子核的大小！干涉问题因此，直接探测引力波是一项 的技术和实验挑战。20 世纪 60 年代，美国物理学家约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）根据与声波共振原理相似的原理，提出了一种共振天线，即能够在引力波通过时振动的探测器。然而，这些探测器没有足够的灵敏度， 终被其他现代探测器取代，干涉仪利用激光束之间的干涉现象（在成功探测引力波方面）发挥了作用。让我们先来了解一下干涉现象，根据干涉现象，当两个波在某一点相遇时，会产生一个（新的）波，其总振幅是每个波的振幅之和。在这一点上，两个波都可能具有 振幅，在这种情况下，它们的和也可能是 的：那么我们就说相长干涉。但是，如果两个波是交错的，这样一个达到 值，另一个达到 小值，那么产生的振幅将为零：在这种情况下，我们谈论的是相消干涉。由电磁波组成的光会受到干涉现象的影响。事实上，如果我们干涉两束光，在相长干涉的情况下，会有 强烈的光，而如果是相消干涉，则会产生暗纹，也就是没有光。

    利用干涉，我们可以建立一个内部信息计。想象一下，取一束光，并将其分成两束强度相等的光束，例如利用一个半透明的镜子，称为分束器或分束镜。分束器可以被定向为使得光束沿着垂直方向行进。在这一点上，我们可以沿着光束的路径放置两个镜子，使它们向后反射，朝向分束器，在分束器处，它们将依次被部分反射和部分透射。通过这种方式，我们可以观察重组光束的重叠并研究它们的干涉。

    但是干涉仪与引力波有什么关系呢？当引力波撞击我们的仪器时，它的臂会周期性地伸长和缩短。

    光总是以相同的速度传播，因此，在缩短的臂上传播的时间 短，而在伸长的臂上运行的时间 长。路径的差异表现为我们观察到的干涉的变化。这样，至少在原则上，观察两个光束的干涉就足以研究“捕捉”引力波通过的微小变化。为了使干涉仪 灵敏，这些臂有几千米长，其中的光被一个叫作法布里 -珀罗光学腔的系统来回反射几次。

    无声探测器美国研究人员提议在美国的两端建造两个干涉仪：一个是在西海岸华盛顿州汉福德研究中心附近制造的；另一个位于路易斯安那州利文斯顿镇不远处。这些探测器是 台干涉仪的放大版，由美国物理学家阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊于 19 世纪末制造；不同的是，迈克尔逊的干涉仪在一个房间里，而两个 LIGO 都有 4 千米长的臂。这两个 LIGO 的建造始于 1994 年，持续了几年，随后是校准和改进的仪器调试阶段。在这些工作结束后，LIGO 于 2002 年开始了 次数据收集活动，一直持续到 2010 年，但没有发现任何迹象。

    当美国研究人员参与 LIGO 的开发时，欧洲科学界也致力于建造两个干涉仪。 小的 GEO600有 600 米长的臂，在英国和德国研究人员的共同努力下于 2002 年在汉诺威附近完成。在（20 世纪）80—90 年代，室女（座）（Virgo）项目被开发出来，（这是）一个巨大的激光干涉仪，有 3 千米长的臂，在意大利比萨省的卡西纳附近建造，并于 2003 年落成。

    探测引力波的主要问题之一是，从这些现象中预期的信号 小，并且明显低于周围环境产生的其他伪信号。事实上，有许多物理事件——从不断震动地壳的微震到镜面分子的热舒适——产生了我们 无法察觉的微小变形，但比引力波产生的信号还要宽。

    为了 好地理解这个想法，想象一下我们在一个聚会上，有很多人和响亮的音乐，我们希望能够听到牙签从房间对面桌子上掉下来的声音。要做到这一点，我们必须“静音”所有背景噪声，这正是引力波物理学家在设计探测器时试图做到的。事实上，有许多前沿技术可以使探测器 安静，包括低热噪声的新材料和衰减地震噪声的系统。

    考虑到噪声的影响，可以评估干涉仪的灵敏度范围。与我们的耳朵一样，这些仪器也对一定的频率范围敏感，从 10—10000 赫兹，在人类听觉的敏感范围内大致相同。

    星际华尔兹目前 灵敏的引力波探测器是两个 LIGO 和室女（座）（Virgo）引力波探测器；尽管如此，直到2011 年，它们收集的数据都没有揭示任何可归因于引力波的信号。在接下来的几年里它们进行了 新，以便将灵敏度逐步提高十倍。根据计算，这是一个重大的飞跃， 终将有可能实现目标。经过几年的工作，2015 年 9 月，两台LIGO 探测器返回“ ”模式；同月 14日，在新的“开机”后仅两天，两台仪器就收到了信号。让人大吃一惊的是， 初的检查表明，信号不是任何噪声的结果，也不是插入数据中测试搜索算法的人工信号的结果。

    这一发现于 2016 年 2 月 11 日宣布，此前数月来，我们对数据进行了检查，以 确定这一发现。看看引力信号的曲线图，你会发现一个变得 强烈，其长度随着时间的推移而缩短。如果我们把那个波转换成声音，我们就会听到越来越尖锐和强烈的哨声。这只是一个类比，因为引力波不产生任何声音，尽管时空在振动。事实上，在真空里，声音不会传播。然而，基于这个类比，在英语中，这个波形是叫chirp，也就是“啁啾”的意思。

    但是，是什么产生了这种异常的引力信号呢？答案被隐藏在引力波的形式中。将其与理论模型进行比较，科学家们意识到这个波是由两个黑洞碰撞产生的，这两个黑洞的质量分别为 29 个和 36 个太阳质量，位于距离我们 13 亿光年的遥远星系中。

    在碰撞之前，这两个“怪物”在一场持续了数十万年的缓慢宇宙华尔兹中绕着彼此旋转。一圈接一圈地绕轨道旋转，两个天体组成的系统以引力波的形式向太空发射能量；失去能量后，两个黑洞越来越近，处于一个 长的螺旋阶段。随着两个物体的轨道越来越近，发射的引力波的频率和强度逐渐增加。但只有在融合前的 十分之一秒，波的频率和强度才（能够）被 LIGO 探测器检测到。

    就在碰撞之前，这两个黑洞，其尺寸约为 100 千米，以疯狂的速度相互旋转，其速度相当于光速的一半；然后它们合并为 的巨大黑洞。在那场可怕的碰撞中，相当于 3 个太阳质量的能量以引力波的形式转化为能量。这是一个可怕的数字：为了理解这一点，我们可以想象，如果不是引力波，而是发出可见光，那么这一事件将比宇宙中所有恒星的亮度高出 50 倍。在融合之后，黑洞通过向太空发射一系列越来越弱的引力波而稳定下来，这或多或少就像钟声响起时的样子。事实上，这一阶段在英语中被称为敲钟，以准确地描述敲钟后的钟声。科学家将螺旋、融合和环落三个阶段的结合称为“聚结”。

    2015 年 9 月 14 日的信号由科学家命名为 GW150914，其中“GW”是 Gravitational Wave 的首字母缩写，即引力波，之后是以美国格式表示的事件日期，即年月日。其中年份用 前面的两位数字表示，即用 15 表示 2015 年。

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