第一次直接探测引力波被广泛认为将在2月11日由先进的激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布。使用LIGO的两个巨型探测器——一个在路易斯安那州的利文斯顿,另一个在华盛顿州的汉福德——研究人员据说已经测量了两个黑洞碰撞产生的时空涟漪。
这样的声明将证明阿尔伯特·爱因斯坦对引力波的预测是正确的,这是他在大约100年前提出的广义相对论的一部分,但它也将具有更深远的意义。作为时空结构中的振动,引力波常被比作声音,甚至被转换成声音片段。实际上,引力波望远镜让科学家们能够“听到”现象,同时基于光的望远镜“看到”现象。(LIGO的成员和在意大利比萨的室女座(Virgo)已经建立了一个系统来提醒其他类型望远镜的使用者。)
上世纪90年代初,当LIGO努力争取美国政府资金时,它在国会听证会上的主要对手是天文学家。“人们普遍认为,LIGO与天文学没有太大关系,登录杏耀平台”克利福德•威尔(Clifford Will)说。他是盖恩斯维尔市佛罗里达大学的广义相对论理论家,也是LIGO的早期支持者。但现在情况已经改变了,他说。
据传闻,LIGO将于周四公布的信号是由两个正在合并的黑洞产生的。这些事件是已知的最激烈的;它们发出的引力波的能量可以与可观测宇宙中所有恒星的总和相媲美。黑洞合并也是最清晰的引力波信号之一。
黑洞合并发生在两个黑洞开始相互螺旋运动,以引力波的形式辐射能量的时候。这些波应该有一种称为啁啾的特殊声音,可以用来测量两个物体的质量。接下来,黑洞会融合。“这就好像两个肥皂泡靠得很近,形成了一个肥皂泡。最初,更大的气泡是变形的,”巴黎附近高级科学研究所的引力理论家Thibault Damour说。由此产生的单个黑洞将稳定成一个完美的球形,但首先它被预测将以一种被称为“圈落”的模式辐射引力波。
探测黑洞合并最重要的科学结果之一就是确认黑洞确实存在——至少是由纯的、空的、扭曲的时空构成的完美圆形物体,这是广义相对论所预测的。另一种可能是并购如预期的那样进行。天文学家已经有了很多关于这些现象的间接证据,但到目前为止,这些证据都来自于对恒星和围绕黑洞运行的过热气体的观察,而不是黑洞本身。
“科学界,包括我自己,对黑洞已经变得非常冷漠。新泽西州普林斯顿大学的广义相对论模拟专家弗朗斯·普里托里厄斯说。“但如果你认为这是一个多么惊人的预测,我们真的需要惊人的证据。”
当科学家们开始比较来自LIGO和其他类型望远镜的观测结果时,他们首先要检查的是信号是否同时到达。物理学家假设引力是由一种叫做引力子的粒子传递的,引力子是与光子的引力类似的粒子。如果像光子一样,这些粒子没有质量,那么引力波将以光速传播,这与经典广义相对论中对引力波速度的预测相符。(它们的速度会受到宇宙加速膨胀的影响,但这只会出现在比LIGO探测范围更大的距离上)。
但有可能引力子的质量很小,这意味着引力波的传播速度将小于光速。如果,LIGO和处女座是探测引力波的宇宙事件,并发现海浪到达地球略长比相关γ-rays检测到一个更为传统的望远镜,对基础物理产生重大的影响。
如果从“宇宙弦”中探测到引力波的爆发,将会有更奇怪的发现。时空弯曲的这些假设缺陷,可能与弦理论有关,也可能与弦理论无关,它们会极其稀薄,但会跨越宇宙的距离。研究人员已经预测,宇宙弦,如果它们存在的话,可能偶尔会产生扭结;如果一根弦断了,它会突然释放出引力波,LIGO和Virgo等探测器可以测量到。
中子星是更大的恒星在自身重量的作用下坍缩后的残余物,它们的密度变得如此之大,以至于它们把构成它们的电子和质子推到一起,使它们融合成中子。它们的极端物理现象还不为人所知,但引力波可以提供独特的见解。例如,它们表面的强引力倾向于使中子星接近完美的球形。但一些研究人员推测,可能仍然存在“山脉”——最多只有几毫米高——使得这些直径约10公里的密集物体略微不对称。中子星的自转速度通常非常快,所以质量的不对称分布会使时空发生变形,产生一个连续的正弦波形式的引力波信号,它会辐射能量,减慢恒星的自转速度。
成对的中子星相互环绕也会产生连续的信号。就像黑洞一样,杏耀网址这些恒星也会螺旋形地互相融合,有时还会发出可听见的唧唧声。但它们的最后时刻将与黑洞的最后时刻截然不同。“你有大量的可能性,取决于质量和中子密度的物质能施加多大的压力,”Pretorius说。例如,合并后的恒星可能是一个巨大的中子星,或者它可能会立即坍塌并变成一个黑洞。
黑洞和中子星是在大质量恒星停止发光并坍缩时形成的。天体物理学家认为,这个过程是一种常见类型的超新星爆炸,即II型超新星爆炸的动力。对这类超新星的模拟还没有清楚地解释是什么点燃了它们,但聆听真正的超新星预计会产生的引力波爆发可能有助于提供答案。根据这些爆炸的波形,爆炸的声音有多大,
杏耀娱乐生财 ,频率有多高,以及它们与电磁望远镜观测到的超新星之间的关系,这些数据可以帮助验证或抛弃现有的各种模型。
宇宙的膨胀意味着那些远离我们星系的遥远物体看起来比它们实际的颜色更红,因为它们发出的光在传播过程中会拉伸。宇宙学家通过比较星系的红移和星系离我们的距离来估计宇宙膨胀的速度。但这种距离通常是通过“Ia型”超新星的亮度来测量的,这种技术留下了很大的不确定性。
如果世界各地的几个引力波探测器都能探测到来自同一颗中子星与恒星合并的信号,它们就能一起估算出信号的绝对响度,从而揭示出合并发生的距离。他们也能估计出它的方向;然后,天文学家就可以推断出是哪个星系发生了这次合并。将星系的红移与引力波响度测量的合并距离进行比较,可以提供对宇宙膨胀率的独立估计,可能比目前的方法更准确。