引力波讓我們對宇宙另眼相待
圖片來源：T. Pyle/加州理工/麻省理工學(xué)院/激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）實(shí)驗(yàn)室
試想一下，若你只見過云彩，卻未曾見過天空中的太陽，月亮，行星和恒星。沒有蓬松的白色映襯在藍(lán)天下，有的只是大塊的深灰色層云，這是一個(gè)沉悶的冬天的標(biāo)志。冬天的云只會(huì)持續(xù)數(shù)周，最糟糕也不過數(shù)月，但是這樣的層云在整個(gè)人類歷史中卻一直如此。有人想出了一種方法，可以使云層在某個(gè)夜晚分裂一小段時(shí)間，并且讓我們能夠匆匆瞥一眼我們大氣層之外的宇宙。想象一下，只有一個(gè)點(diǎn)在發(fā)光，可能是一個(gè)行星，上面的細(xì)節(jié)令人難以置信：光環(huán)，條紋，色彩，甚至可能還有衛(wèi)星。從這一刻起，你的宇宙觀將發(fā)生多大的改變？現(xiàn)在已經(jīng)有了結(jié)果-激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）的協(xié)作確實(shí)已經(jīng)檢測到了兩個(gè)合并的黑洞的引力波-我們可以確信，在天文學(xué)上真的有這樣的時(shí)刻。
圖片來源：LIGO宣布發(fā)現(xiàn)了引力波的新聞發(fā)布會(huì)的屏幕截圖
愛因斯坦最偉大的成就，同時(shí)也是最古老的未經(jīng)證實(shí)的預(yù)言，即廣義相對論，首次成功地經(jīng)受住了考驗(yàn)。大約13億光年外的一個(gè)遙遠(yuǎn)星系中的兩個(gè)黑洞，它們在宇宙的死亡螺旋中繞著彼此旋轉(zhuǎn)，發(fā)散引力能量直到它們最終合并，通過E = mc ^ 2以引力波的形式，將3個(gè)太陽質(zhì)量般大小的物質(zhì)釋放到其本身的空間結(jié)構(gòu)中的波紋中。這些波通過宇宙向外傳播，永遠(yuǎn)以光速在進(jìn)行無止境的傳播，使所有經(jīng)過的物體或壓縮或膨脹，就像一個(gè)壁球在一個(gè)方向，在垂直方向以及別的方向被擠壓一樣。
像LIGO那樣的實(shí)驗(yàn)不是我們可以制造的唯一的引力波探測器，合并黑洞并不是我們可以探測到的唯一事物，更寬泛地說，天體并不是我們可以通過引力輻射來了解的唯一事物！我們之所以看到振奮人心的黑洞，首先是因?yàn)長IGO是我們能建造的最便宜的引力波探測器，而且LIGO能觀測到宇宙產(chǎn)生的這些波，LIGO對這些波很敏感。但實(shí)際上，我們有各種各樣的東西要尋找，它們分為四個(gè)不同的類別。
圖片來源：美國國家航空航天局，來自兩個(gè)中子星的旋近和合并；只作說明
1.）致密，超快速移動(dòng)的天體。這包括LIGO觀測到的類型，即合并的小（小于1000太陽質(zhì)量）黑洞。合并中子星，單個(gè)脈沖星以及主要的兩大變種的超新星也會(huì)產(chǎn)生引力波。LIGO最先會(huì)觀測的是質(zhì)量更大及質(zhì)量相等的黑洞，并且預(yù)計(jì)每年觀測到少數(shù)黑洞。要知道，該探測器直至2015年9月才開始運(yùn)行，而在2015年9月14日就發(fā)出了該信號(hào)。在未來幾年中，可能會(huì)有更多的黑洞合并，尤其是隨著LIGO靈敏度的提高以及其搜索范圍進(jìn)一步擴(kuò)大到更遙遠(yuǎn)的深空宇宙。決定該范圍內(nèi)有哪些天體的重要因素是它們的頻率或這些天體每秒發(fā)射出多少次波。LIGO可以探測到1到10000 赫茲左右的天體，也就是那些每秒發(fā)射出不止一次波的天體！
圖片來源：X射線：美國國家航空航天局/麻省大學(xué)/王博士等人，紅外線：美國國家航空航天局/太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所：位于銀河系中心的超大質(zhì)量的黑洞人馬座A *
2.）更慢亦或是更重的天體。它們的場強(qiáng)不如LIGO看到的天體強(qiáng)，但是在宇宙中還有更多這樣的天體待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。幾乎每個(gè)星系（包括我們自己的星系）的中心都有一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞，其內(nèi)部是太陽質(zhì)量的百萬倍甚至更多。懸臂比地球還大的探測器（例如LISA（或eLISA）這樣的巨型太空天線）可以定位到這些天體。雙星，白矮星雙星，吞噬其他天體的超大質(zhì)量黑洞以及質(zhì)量極不均勻的合并黑洞都會(huì)發(fā)射出更低頻率的引力波，它們需要幾分鐘，幾小時(shí)甚至幾天的時(shí)間才能發(fā)射出引力波。我們無法通過LIGO看到它們，但是更大的空間干涉儀能感知到它們。如果美國國家航空航天局決定投資（即使他們不投資，歐洲空間局也會(huì)投資），我們就能在21世紀(jì)30年代的某個(gè)時(shí)候?yàn)檫@些天體安裝首個(gè)探測器。
圖片來源：蒙特卡布里爾（Montcabrer）天文臺(tái)的雷曼·納維斯Ramon Naves
3.）超大質(zhì)量黑洞的軌道與合并。聽說過類星體或活躍的銀河核嗎？位于活躍星系核心的數(shù)十億個(gè)太陽質(zhì)量大小的黑洞必須以某種方式變得很大，這很可能來自巨大的合并。甚至還有一個(gè)這樣的黑洞，OJ 287，其中有一個(gè)1億太陽質(zhì)量的黑洞繞著一個(gè)180億太陽質(zhì)量的黑洞運(yùn)轉(zhuǎn)，不用說，它們必定會(huì)發(fā)射出大量的引力波。它們的軌道周期大約是幾年，并伴隨著相應(yīng)的令人難以置信的低頻。對于此，常規(guī)的激光探測器并沒有什么用，但是使用脈沖星陣列，并查看其時(shí)間節(jié)點(diǎn)如何受到影響，則可以解決此問題。這是北美納赫茲引力波觀測站（NANOgrav）合力的一些事，但剛剛起步，將在未來幾十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
圖片來源：國家科學(xué)基金會(huì)（美國國家航空航天局，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，凱棵基金會(huì)，摩爾基金會(huì)等）-BICEP2計(jì)劃資助
4.）來自大爆炸的遺物引力波輻射。為什么要停止研究天體物理源呢？這些來自宇宙誕生時(shí)候的波動(dòng)會(huì)在大爆炸的余光的偏振中顯現(xiàn)出來，我們現(xiàn)在也正在尋找！您一定記得，BICEP2在2014年宣布發(fā)現(xiàn)了這些電波，卻把發(fā)現(xiàn)的我們自己星系的前景塵埃錯(cuò)當(dāng)成了該偏振信號(hào)。但是這些引力波應(yīng)該是存在的，并且在所有頻率下都應(yīng)該是存在的。根據(jù)我們發(fā)現(xiàn)的這些波的振幅和頻譜，我們很有可能準(zhǔn)確地重建最早時(shí)期的宇宙以及宇宙膨脹后的末日真實(shí)景象。
圖片來源：仝明磊
另外，來源于這些的不僅僅是引力波，這些來源中的每一部分都很可能可以告知我們關(guān)于宇宙的許多知識(shí)。沒錯(cuò)，這涉及天體物理學(xué)，但是我們越能敏銳地估量這些事物，我們學(xué)到的東西就會(huì)越多：
每一個(gè)這些類源發(fā)出的引力波類型，
通過引力波觀察到的合并，超新星爆發(fā)和其他災(zāi)難性事件的關(guān)鍵時(shí)刻和最后時(shí)刻的物理學(xué)，
及在高靈敏度下可能尋找到的與廣義相對論水火不相容的量子引力效應(yīng)。
擬議中的未來觀測任務(wù)希望在靈敏度方面超過上述所有任務(wù)，例如美國國家航空航天局的大爆炸觀察者，與任何其他擬議任務(wù)相比，它將探測1、2和4類別中的所有源，以提高準(zhǔn)確性。一排軌道靠近地球的6個(gè)干涉儀，L4和L5拉格朗日點(diǎn)上各有三個(gè)，可以將我們對LISA和LIGO的靈敏度提高許多數(shù)量級(jí)，從而使我們能夠直接測量宇宙膨脹產(chǎn)生的剩余引力波。
圖片來源：麻省理工學(xué)院的格雷戈里·哈里（Gregory Harry），2009年LIGO研討會(huì)，LIGO-G0900426
此外，如果能將光學(xué)天文學(xué)與引力波天文學(xué)聯(lián)系起來，這將給我們提供同一天體的多角度視圖，使我們對宇宙有了更多的了解。您可能想知道兩個(gè)合并的黑洞是否會(huì)發(fā)出某種電磁輻射，例如伽馬射線？
關(guān)于引力輻射，即使我們只知道其中一事，在LIGO信號(hào)發(fā)出后僅0.4秒（?。绹鴩液娇蘸教炀值馁M(fèi)米衛(wèi)星就探測到了伽馬射線爆發(fā)，這是一個(gè)非常可疑的巧合。當(dāng)我們啟動(dòng)并運(yùn)行三個(gè)或四個(gè)引力波探測器（除了兩個(gè)LIGO探測器之外，還有VIRGO和CLIO）時(shí)，我們可以更好地鎖定這些輻射源的位置，也許可以一勞永逸地發(fā)現(xiàn)這些黑洞合并產(chǎn)生了什么樣的電磁輻射。
伽馬射線快速爆發(fā)的圖示，以前僅被認(rèn)為是中子星合并產(chǎn)生的。圖片來源：歐南臺(tái)
我們正處于以全新方式敞開宇宙的前沿。LIGO于9月14日探測到的事件無疑只是大量新數(shù)據(jù)涌入的開端，它將以前所未有的能量形式向我們介紹有關(guān)宇宙的知識(shí)。現(xiàn)在是時(shí)候迎接這種新形式的天文學(xué)，并以前所未有的方式打開我們對宇宙的認(rèn)識(shí)視角。對于任何好奇的頭腦來說，這都是一個(gè)難以置信的時(shí)刻。
參考資料
1.維基百科全書
2.天文學(xué)名詞
3. Ethan Siegel-柒月未央
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參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學(xué)名詞
3.原文來自：
https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2016/02/17/what-gravitational-wave-astronomy-will-teach-us-about-the-universe/
本文由天文志愿文章組-柒月未央翻譯自forbes的作品，如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請于三十日以內(nèi)聯(lián)系運(yùn)營者刪除。
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