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【原理】时空的秘密

时间:2018-10-8 来源:Zwicky

也许在你们的脑海中早就印下引力波是由像中子星、黑洞这样极端的物体才能够产生的,但事实却并非如此。任何具有质量的物体,在加速时都会产生引力波。这包括你、我、车、飞机等等,只不过我们在地球上产生的引力波实在是太小了,根本无法被探测到。引力波在空间中传播的方式,类似于光或声音在空气中的传播方式。



引力波谱



就像电磁波一样,引力波也是由许多不同的物体以不同的频率所辐射出来的。像LIGO(激光干涉引力波天文台)和Virgo(室女座引力波天文台)这样的地基干涉仪,只对一小部分的频率敏感,这就限制了它们能够“看到”某些特定宇宙现象的能力。例如,它们无法探测到在星系中央的超大质量黑洞的碰撞。但是,天基的干涉仪和其它捕捉引力波的方法却可以扩大物理学家的研究范围。


下面的这张图展示了引力波谱:


○ 这张图显示了与每个引力波频率范围相关的源,以及不同频率所需的引力波探测器类型。| 图片来源:NASA/J. I.Thorpe


在宇宙中,脉冲星、超新星、双中子星、双黑洞、被超大质量黑洞捕获的致密星、双超大质量黑洞的合并都可以辐射出引力波。不同的探测器只能探测到特定频率范围的现象。上图中我们可以看到四种不同的探测器类型:


  • 地基干涉仪(400 - 30赫兹):目前,像LIGO这样的天文台可以探测到比探测器的臂长(3-4公里)还长的波,其周期相当于百分之几到千分之几秒。


  • 天基干涉仪(100 - 0.1毫赫兹):LISA(Laser Interferometer Space Antenna)是由三个探测器组成的太空激光干涉仪,预计在2030年代发射。它的虚拟探测器臂长达数百万公里,这使它对周期为几十秒到几小时的波变得极为敏感。


  • 脉冲星计时(320 - 1纳赫兹):来自遥远星系辐射出的引力波会扰乱地球和银河系内其他恒星之间的距离。研究人员希望追踪脉冲星的射电信号延迟,来探测周期可以持续数年的波。


  • CMB测量(10-13 - 10-16赫兹):宇宙最古老的可测量的辐射被称为宇宙微波背景(CMB),它或许隐藏了大爆炸产生出引力波的证据。随着宇宙不断的膨胀,这些波也被显著地拉长了。


对于一个还不到三年的研究领域而言,引力波的相关进展早已超越了预期。但这仅仅只是开始。引力波正慢慢地为我们揭晓更多关于宇宙的秘密。



宇宙中最大的谜题



1980年代中期,物理学家Bernard Schutz想到了一种新的方法来解决天文学中最古老的问题之一:如何测量遥远天体的距离。过去,研究人员一直依靠于天体的亮度来粗略测量它们的距离。但是,这种方法带来了无尽的复杂性。例如,离我们较近的那些昏暗的恒星,可以伪装成更远的明亮的恒星。


Schutz意识到,或许引力波能够为我们提供答案。试想一下,在遥远的深空中,当两颗黑洞或两颗中子星相互合并时,它们便会产生引力波。当引力波的信号抵达地球并被探测器接收时,频率和频率的变化率提供了关于黑洞或中子星的质量的信息。有了这个信息,物理学家就可以推断引力波在波源的强度。通过测量引力波到达地球上的探测器时的强度,科学家就可以估算出引力波从波源到地球的距离。因此Schutz预测,引力波或许能够用来测量宇宙膨胀的速度


那时,Schutz的想法可以说是非常优美然而却是不切实际的,因为当时根本没有人能探测到引力波。直到2017年,两颗中子星合并辐射出的引力波(该事件被称为“GW170817”),在传播了1.3亿年后抵达地球,Schutz的想法才终于得以照进现实。GW170817使Schutz有机会证明自己发展的技术将如何成为测量距离的最可靠的方法之一。


○ 2017年,双子星的合并同时辐射出了引力波和电磁波。事实上,在双中子星合并事件之前,LIGO在2015年就已经首次直接探测到了引力波,之后共记录了五对黑洞合并的事件。| 图片来源:LIGO


GW170817之所以特别是因为它同时释放出了引力波和光,这使它成为了测量哈勃常数——描述了宇宙的膨胀速率——的全新工具。


由于GW170817可以释放出光,因此传统的望远镜可以被用来定位该事件发生在哪里。而引力波信号可以被用来测量从地球到双中子星的距离,这种类型的信号被称为“标准警报(Standard Siren)。接着,标准的天文学技巧可以被用来测量双中子星所在的星系和它周围的星系会以多快的速度远离地球。结合速度和距离的数据,Schutz和他的同事对哈勃常数进行了一次全新的、完全独立的计算。(关于哈勃常数,读者可进一步阅读《著名的“哈勃定律”要被更名了?》


在过去的五年中,天文学家意识到两种非常精确的独立方法所测量出来的哈勃常数并不一致(分别是73.5km/s/Mpc和66.9km/s/Mpc)。第一次的标准警报测量并没有解决这两者之间的矛盾,它所估计出来的值(70km/s/Mpc)正好处于其他两种方法的中间,并且有较大的误差,这是因为目前只测量到一次这样的事件。但未来当我们探测到越来越多合并事件时,研究人员预计可以将误差控制在1%内。相比之下,目前“标准烛光(已知亮度的天体被称为标准烛光,一直被用以测量距离)所能达到的最好精确度为2-3%。


而当LISA发射时,标准警报将会成为更强大的工具。届时,科学家希望它能帮助我们解决宇宙学中最大的难题之一:暗能量(宇宙加速膨胀的幕后推手)的本质。


然而,这仅仅只是引力波或许能够提供答案的其中一个问题。



更多的秘密


随着未来将收集到的越来越多的数据,引力波将进一步揭开许多其他的秘。例如,引力波可以帮助我们:


检验爱因斯坦的广义相对论。虽然爱因斯坦的理论在过去的一百多年中都极其的成功,但自广义相对论提出以来,物理学家就已经开始构建其他的引力理论。如果我们能在实验或观测中发现任何与广义相对论相悖的现象,都将引导我们找到一个更好的理论。例如,物理学家希望看到更多关于合并后的黑洞产生的“铃宕(ringdown)”波的细节,这个观测可能会揭示出广义相对论的裂缝。


○ 图中显示了双黑洞经历旋进(inspiral)、合并(merger)和铃宕(ringdown)三个过程的波形。| 图片来源:LIGO


寻找额外维度。自然界中存在着四种基本力,分别是引力、电磁力、弱核力和强核力。物理学家想知道为什么引力比其他三种力要弱得多。其中一种可能就是在长距离的传播时,引力会“泄漏”到其他维度。但如果这样的事情真的发生了,那么科学家在引力波探测器测量到的信号就会比预期的弱。但至少在一项最新的研究中,科学家在分析了GW170817的数据后总结到,暂时没有发现额外的维度。


探索中子星的内部。我们都听说过中子星上的物质密度非常的高,但到底有多高,谁也说不准。相关的理论有几十种。确定中子星的半径让物理学家可以对这些理论进行筛选,因为这些理论预测了不同的“状态方程”——联系了压力、温度和物质密度的公式。这类方程决定了物质可以被压缩到何种程度,中子星的质量可以达到多高,以及对于给定质量,中子星将会有多宽或窄。


揭开双黑洞的起源之谜。当大质量恒星的核心耗尽燃料并坍缩时,会释放出超新星爆炸,留下一颗质量为太阳质量的几倍或几十倍的黑洞。研究人员想要知道单独的黑洞是如何相遇到一起的。对此有两种可能的解释:一开始两颗大质量恒星便环绕在一起,甚至在超新星爆炸后仍保持在一起;又或者黑洞可能是独立形成的,但后来由于与其他物体频繁的引力作用而聚在一起。


等等其他重大问题。我们甚至可以期待引力波将为我们提供关于发生在宇宙大爆炸后的一些细节。


不久后,LIGO和Virgo将再次重启,开始收集数据。下一个重大发现很可能来自一颗正在坍缩的恒星释放出的信号。但我们更加期待看到那些我们从未想过的事情。