捕捉引力波的五种新方法——以及它们将揭示的秘密
2015 年 9 月，一次仅持续五分之一秒的振动改变了物理学的历史。这是首次直接探测到引力波——时空几何扰动以光速穿越宇宙。 天文学家说，这就像获得了一种新的感觉——就好像在 2015 年之前，他们只能“看到”宇宙事件，而现在他们也能“听到”它们了。从那时起，在路易斯安那州和华盛顿州的激光干涉引力波天文台 (LIGO) 的两个大型设施以及位于意大利比萨附近的姊妹天文台 Virgo 记录引力波的通过几乎成了日常工作。 引力波的探测为探索自然规律和宇宙历史提供了新方法，包括有关黑洞及其起源的大恒星的生命故事的线索。瑞士日内瓦大学理论物理学家 Chiara Caprini 说，对许多物理学家来说，引力波科学的诞生是过去十年中罕见的亮点。其他有前途的探索领域令人失望：暗物质搜索一直一无所获；日内瓦附近的大型强子对撞机除了希格斯玻色子之外什么也没发现；甚至一些有希望的新物理学迹象似乎也在消退。“在这个相当平淡的领域，引力波的到来是一股清新的空气，”Caprini 说。 这一罕见的亮点看起来将会变得更加明亮。 到目前为止，发现的 100 多个引力波事件都只是物理学家认为存在的引力波的一小部分。LIGO 和 Virgo 打开的窗口相当狭窄，主要限于 100-1,000 赫兹范围内的频率。随着成对的重星或黑洞在数百万年内缓慢地相互旋转，它们会产生频率缓慢增加的引力波，直到物体相撞前的最后时刻，引力波才会进入这个可探测范围。但这只是预计会产生引力波的众多现象之一。 LIGO 和 Virgo 是激光干涉仪：它们的工作原理是检测沿垂直臂发射的激光的传播时间的微小差异，每个臂长几公里。当引力波冲刷它们时，臂会以微小的量膨胀和收缩。研究人员目前正在研究几个下一代 LIGO 型天文台，既在地球上，也在太空中，即激光干涉仪空间天线；有些人甚至提议在月球上建造一个1其中一些可能对频率低至 1 Hz 的引力波敏感。 但物理学家也在探索完全不同的引力波探测技术。这些策略包括观察脉冲星和测量量子涨落，希望能够捕捉到频率在兆赫到纳赫范围内的种类繁多的引力波（见“打开引力波之窗”）。 通过扩大观测窗口，天文学家应该能够观察到黑洞相互绕转数天、数周甚至数年，而不仅仅是碰撞前最后几秒钟。他们还将能够发现完全不同的宇宙现象产生的波——包括巨型黑洞，甚至是宇宙本身的起源。他们说，所有这些都将揭开宇宙的许多遗留秘密。 脉冲星计时阵列：捕捉持续十年的波涛 去年，干涉仪的一种可行替代品进入了市场。 自 21 世纪初以来，射电天文学家一直试图将整个银河系用作引力波探测器。诀窍是监测数十颗中子星，即脉冲星。这些中子星每秒绕轴旋转数百次，同时发射射频光束，每次旋转都会产生类似光脉冲的物质。 横扫银河系的引力波会改变地球与每颗脉冲星之间的距离，导致探测到的脉冲星频率每年都出现异常。对脉冲星集合或阵列（称为脉冲星计时阵列 (PTA)）的观测应该能够探测到频率仅为纳赫兹的引力波引起的变化，例如，一对超大质量黑洞可能会产生这种变化。这种波的连续波峰需要数十年才能通过给定的有利位置，这意味着需要数十年的观测才能发现它们。 巨大引力波：科学家为何如此兴奋 2023 年，PTA 技术开始取得成果。康涅狄格州纽黑文市耶鲁大学的天体物理学家 Chiara Mingarelli 表示，北美、欧洲、澳大利亚和中国的四个独立合作机构揭示了一种令人着迷的模式，这种模式可能是由引力波的随机“随机背景”引起的，这种引力波使地球晃动，可能是由超大质量黑洞双星的嘈杂声引起的。 这些团队尚未使用“发现”一词，因为每个合作项目揭示的证据尚未确凿。但除中国团队外，其他三支团队目前正在汇总数据并进行联合分析，希望能够得出“发现”一词。这需要艰苦的工作，因为每个团队处理原始数据的方式略有不同，因此可能还需要至少一年的时间才能发表，弗吉尼亚州夏洛茨维尔美国国家射电天文台的天体物理学家、北美合作项目的高级成员斯科特·兰森 (Scott Ransom) 说。 “根据我们目前的数据，我们几乎肯定能找到单个超大质量黑洞双星的迹象，”兰森说。他补充说，随着每年的观察，他们应该能更接近从杂音中分辨出单个黑洞对。“事情会越来越好。” […]