引力波，认识宇宙的新途径

露水珠珠

引力波让我们对宇宙另眼相待



图片来源：T. Pyle/加州理工/麻省理工学院/激光干涉引力波天文台（LIGO）实验室
试想一下，若你只见过云彩，却未曾见过天空中的太阳，月亮，行星和恒星。没有蓬松的白色映衬在蓝天下，有的只是大块的深灰色层云，这是一个沉闷的冬天的标志。冬天的云只会持续数周，最糟糕也不过数月，但是这样的层云在整个人类历史中却一直如此。有人想出了一种方法，可以使云层在某个夜晚分裂一小段时间，并且让我们能够匆匆瞥一眼我们大气层之外的宇宙。想象一下，只有一个点在发光，可能是一个行星，上面的细节令人难以置信：光环，条纹，色彩，甚至可能还有卫星。从这一刻起，你的宇宙观将发生多大的改变？现在已经有了结果-激光干涉引力波天文台（LIGO）的协作确实已经检测到了两个合并的黑洞的引力波-我们可以确信，在天文学上真的有这样的时刻。



图片来源：LIGO宣布发现了引力波的新闻发布会的屏幕截图
爱因斯坦最伟大的成就，同时也是最古老的未经证实的预言，即广义相对论，首次成功地经受住了考验。大约13亿光年外的一个遥远星系中的两个黑洞，它们在宇宙的死亡螺旋中绕着彼此旋转，发散引力能量直到它们最终合并，通过E = mc ^ 2以引力波的形式，将3个太阳质量般大小的物质释放到其本身的空间结构中的波纹中。这些波通过宇宙向外传播，永远以光速在进行无止境的传播，使所有经过的物体或压缩或膨胀，就像一个壁球在一个方向，在垂直方向以及别的方向被挤压一样。
像LIGO那样的实验不是我们可以制造的唯一的引力波探测器，合并黑洞并不是我们可以探测到的唯一事物，更宽泛地说，天体并不是我们可以通过引力辐射来了解的唯一事物！ 我们之所以看到振奋人心的黑洞，首先是因为LIGO是我们能建造的最便宜的引力波探测器，而且LIGO能观测到宇宙产生的这些波，LIGO对这些波很敏感。但实际上，我们有各种各样的东西要寻找，它们分为四个不同的类别。



图片来源：美国国家航空航天局，来自两个中子星的旋近和合并；只作说明
1.）致密，超快速移动的天体。这包括LIGO观测到的类型，即合并的小（小于1000太阳质量）黑洞。合并中子星，单个脉冲星以及主要的两大变种的超新星也会产生引力波。LIGO最先会观测的是质量更大及质量相等的黑洞，并且预计每年观测到少数黑洞。要知道，该探测器直至2015年9月才开始运行，而在2015年9月14日就发出了该信号。在未来几年中，可能会有更多的黑洞合并，尤其是随着LIGO灵敏度的提高以及其搜索范围进一步扩大到更遥远的深空宇宙。决定该范围内有哪些天体的重要因素是它们的频率或这些天体每秒发射出多少次波。LIGO可以探测到1到10000 赫兹左右的天体，也就是那些每秒发射出不止一次波的天体！



图片来源：X射线：美国国家航空航天局/麻省大学/王博士等人，红外线：美国国家航空航天局/太空望远镜科学研究所：位于银河系中心的超大质量的黑洞人马座A *
2.）更慢亦或是更重的天体。它们的场强不如LIGO看到的天体强，但是在宇宙中还有更多这样的天体待我们去发现。几乎每个星系（包括我们自己的星系）的中心都有一个超大质量的黑洞，其内部是太阳质量的百万倍甚至更多。悬臂比地球还大的探测器（例如LISA（或eLISA）这样的巨型太空天线）可以定位到这些天体。双星，白矮星双星，吞噬其他天体的超大质量黑洞以及质量极不均匀的合并黑洞都会发射出更低频率的引力波，它们需要几分钟，几小时甚至几天的时间才能发射出引力波。我们无法通过LIGO看到它们，但是更大的空间干涉仪能感知到它们。如果美国国家航空航天局决定投资（即使他们不投资，欧洲空间局也会投资），我们就能在21世纪30年代的某个时候为这些天体安装首个探测器。



图片来源：蒙特卡布里尔（Montcabrer）天文台的雷曼·纳维斯Ramon Naves
3.）超大质量黑洞的轨道与合并。听说过类星体或活跃的银河核吗？位于活跃星系核心的数十亿个太阳质量大小的黑洞必须以某种方式变得很大，这很可能来自巨大的合并。甚至还有一个这样的黑洞，OJ 287，其中有一个1亿太阳质量的黑洞绕着一个180亿太阳质量的黑洞运转，不用说，它们必定会发射出大量的引力波。它们的轨道周期大约是几年，并伴随着相应的令人难以置信的低频。对于此，常规的激光探测器并没有什么用，但是使用脉冲星阵列，并查看其时间节点如何受到影响，则可以解决此问题。这是北美纳赫兹引力波观测站（NANOgrav）合力的一些事，但刚刚起步，将在未来几十年内实现。



图片来源：国家科学基金会（美国国家航空航天局，喷气推进实验室，凯棵基金会，摩尔基金会等）-BICEP2计划资助
4.）来自大爆炸的遗物引力波辐射。为什么要停止研究天体物理源呢？这些来自宇宙诞生时候的波动会在大爆炸的余光的偏振中显现出来，我们现在也正在寻找！您一定记得，BICEP2在2014年宣布发现了这些电波，却把发现的我们自己星系的前景尘埃错当成了该偏振信号。但是这些引力波应该是存在的，并且在所有频率下都应该是存在的。根据我们发现的这些波的振幅和频谱，我们很有可能准确地重建最早时期的宇宙以及宇宙膨胀后的末日真实景象。



图片来源：仝明磊
另外，来源于这些的不仅仅是引力波，这些来源中的每一部分都很可能可以告知我们关于宇宙的许多知识。没错，这涉及天体物理学，但是我们越能敏锐地估量这些事物，我们学到的东西就会越多：
每一个这些类源发出的引力波类型，
通过引力波观察到的合并，超新星爆发和其他灾难性事件的关键时刻和最后时刻的物理学，
及在高灵敏度下可能寻找到的与广义相对论水火不相容的量子引力效应。
拟议中的未来观测任务希望在灵敏度方面超过上述所有任务，例如美国国家航空航天局的大爆炸观察者，与任何其他拟议任务相比，它将探测1、2和4类别中的所有源，以提高准确性。一排轨道靠近地球的6个干涉仪，L4和L5拉格朗日点上各有三个，可以将我们对LISA和LIGO的灵敏度提高许多数量级，从而使我们能够直接测量宇宙膨胀产生的剩余引力波。



图片来源：麻省理工学院的格雷戈里·哈里（Gregory Harry），2009年LIGO研讨会，LIGO-G0900426
此外，如果能将光学天文学与引力波天文学联系起来，这将给我们提供同一天体的多角度视图，使我们对宇宙有了更多的了解。您可能想知道两个合并的黑洞是否会发出某种电磁辐射，例如伽马射线？
关于引力辐射，即使我们只知道其中一事，在LIGO信号发出后仅0.4秒（！），美国国家航空航天局的费米卫星就探测到了伽马射线爆发，这是一个非常可疑的巧合。当我们启动并运行三个或四个引力波探测器（除了两个LIGO探测器之外，还有VIRGO和CLIO）时，我们可以更好地锁定这些辐射源的位置，也许可以一劳永逸地发现这些黑洞合并产生了什么样的电磁辐射。



伽马射线快速爆发的图示，以前仅被认为是中子星合并产生的。图片来源：欧南台
我们正处于以全新方式敞开宇宙的前沿。LIGO于9月14日探测到的事件无疑只是大量新数据涌入的开端，它将以前所未有的能量形式向我们介绍有关宇宙的知识。现在是时候迎接这种新形式的天文学，并以前所未有的方式打开我们对宇宙的认识视角。对于任何好奇的头脑来说，这都是一个难以置信的时刻。