【原】引力波 — 看不見摸不著,就真的不存在了嗎?

天文在線 2023-04-08 發(fā)布于云南

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通過對黑洞環(huán)繞物質(zhì)發(fā)出射線以及旋進,、合并和鈴宕過程中產(chǎn)生的引力波的觀測,，我們能夠察覺到宇宙中黑洞的存在或誕生。但是到目前為止,，我們還沒有在銀河系內(nèi)探測到黑洞的合并,。

科學界有個非常了不起的進步，即我們已有能力探測引力波,。LIGO和Virgo在引力波的觀測方面有著前所未有的能力和靈敏度,，那些時空結(jié)構(gòu)中洶涌的波動將不會在悄無聲息地從我們身邊溜走。

同時,，我們可以觀測到它們的同時定位到產(chǎn)生它們的源頭并研究它們的屬性,，到目前為止,，我們已經(jīng)探測到十一個不同的源頭。

但是依然有一個問題,，這些源頭都離我們很遠.

為什么會這樣,？這同時也困擾著Amitava Datta(雅米他法·達塔）和Chavan Chatterjee(卡文·查特基)。他們發(fā)出了這樣的疑問：為什么所有已知的引力波源頭（雙星合并）都來自遙遠的星系,？為什么我們沒能在比鄰星系探測到,？我猜（當然，十有八九都是錯的）我們應該把探測器精準地朝向任何方向,，也就是說,，我們現(xiàn)在的發(fā)現(xiàn)都是偶然得來的。

我們來找找答案吧,。

從空中俯瞰Virgo引力波探測器,，這是一座建立在靠近意大利比薩城卡希納的有三千米長臂的巨型邁克爾遜激光干涉器，和有四千米長臂的LIGO探測器的功能互補,。這些探測器對于遙遠處引力波振幅的微小變化非常敏感,，但能量的變化不是特別敏感。

像LIGO和Virgo這樣的觀測站的工作方式都是靠它們的兩根很長的相互垂直的臂,，這些臂中有很好的真空環(huán)境,。固定頻率的激光束分別沿著兩條獨立的臂分別傳播，反復反射很多次,，最后重新合并在一起,。

光是一種電磁波，把多重的波合并在一起的時候,，它們會產(chǎn)生干涉圖案,。當這種干涉是相長干涉的時候，可以看到一種形式的圖案,，如果是相消干涉,，看到的是不同形式的圖案。當LIGO和Virgo空閑的時候,，一般來講,，沒有引力波穿過它們，你看到的會是相對穩(wěn)定的圖案,，只有儀器的隨機噪音（大多數(shù)是地球自己產(chǎn)生的）的干擾,。

當兩條臂是一樣長而且也沒有引力波通過的時候，信號是正常的,，干涉圖像也是穩(wěn)定的,。當臂的長度改變了，信號會發(fā)生真實的震蕩,，干涉圖像也會隨時以可預測的方式變化,。

如果你準備改變一支臂相對于另一支臂的長度,，那么光經(jīng)過這支臂的時間也會改變，而因為光是一種波,，光傳播時間的一點微小的改變都意味著你接收到的光的波動圖案會是不同的,，因此，和另一束激光共同構(gòu)成的干涉圖像也會改變,。

有很多原因會造成一條單臂的改變：地震噪音,，街對面的一把手提鉆，甚至是幾英里外經(jīng)過的一輛卡車,。但是天體物理源也會造成這樣的改變：一個正在經(jīng)過的引力波動,。

當引力波經(jīng)過空間中的某處時，它會引起交替方向和時間的膨脹與壓縮,，引起激光臂長度在互相垂直的方向上發(fā)生改變,。我們就是利用這種物理上的變化而成功的制造出像LIGO 和Virgo這樣的引力波探測器的。

目前有兩種方式來幫助我們區(qū)分哪些是引力波,，哪些僅僅是地球上的噪音,。

1，引力波,，經(jīng)過探測器的時候會以一種特別的同相量引起兩條激光臂的距離按相反的方向改變,。當你看到一個由臂的長度伸縮而引起的周期性圖像的時候，就可以以一個相當簡單的限制條件來確定你看到可能是引力波還是僅僅是地緣噪聲,。

2,，我們在地球上的不同地方建立了組合式探測器，每一個探測器都會受當?shù)丨h(huán)境的噪聲影響,，但是當有引力波經(jīng)過的時候，我們會在兩個探測器上收到非常相像的結(jié)果,，這些結(jié)果最多只有幾毫秒的時間差,。

正如你看到的對于這些波的第一次穩(wěn)定性測試，回看2015年九月14號的那些觀測,，兩種影響都是存在的,。

在過去第一次直接觀測到那對黑洞的旋進與合并過程的時候。夾雜著噪聲（上部分）的總信號明顯符合特定質(zhì)量（中等）黑洞的旋進和合并過程所產(chǎn)生的引力波的模版,。記錄下了在合并過程的最后階段時的引力波頻率和振幅的改變,。

回到現(xiàn)在來看，我們確切探測到的合并事件已經(jīng)有很多了：迄今11次獨立不同的合并事件,。旋進和合并過程的最后階段——兩個黑洞合并又或者是中子星碰撞的最后幾秒甚至是最后幾毫秒,，所產(chǎn)生的引力波才足夠的強，我們的探測器,，甚至是最靈敏的探測器才能接受到確切的內(nèi)容,這種合并的過程似乎是隨機到來的,。

詭異的是,仔細看這些天體和我們的距離,，不難發(fā)現(xiàn),雖然我們的引力波探測器對于一些離我們近一些的天體更敏感，但我們找到的目標更多是來自和我們相隔好幾億甚至上十億光年遠深空,。

LIGO和Virgo所觀測到的11次引力波事件的名字,，質(zhì)量參數(shù)以及其他的一些基本信息都被編碼記錄了下來。記錄著第二輪運行的最后一個月所接受到的信息：當時LIGO 和Virgo 同時開機,。dl參數(shù)表示的是光度距離,；2017年發(fā)生的中子星合并事件是距離我們最近的事件，和我們相距差不多一億三千萬萬光年,。

為什么會這樣呢,？如果引力波探測器對于附近的目標更敏感，我們不該更多的探測到它們么,？但實際觀測到的卻不是這樣,。

有很多原因可以解釋為什么我們會事與愿違,就像質(zhì)疑者所說的那樣，也許是因為方向問題造成的,。畢竟,，宇宙中有很多現(xiàn)象，比如脈沖星和耀變體,，就只有在電磁信號直射進我們的視線的時候才能看見,。

活躍的星系核心給人一種藝術(shù)家的印象。位于吸積盤中央的超大質(zhì)量黑洞向空間中噴射著垂直于吸積盤的高能物質(zhì),。四百萬光年之外的一個耀變體向外噴射著許多高能宇宙射線和中微子,。而只有從黑洞視界外才能離開黑洞，在視界以里就永遠逃不掉,。

這是一個睿智的觀點,，但是它忽略了引力和電磁力的基本區(qū)別。在電磁中,，電磁輻射是由帶電粒子的加速所產(chǎn)生的,；廣義相對論中，引力輻射（或者是引力波）是由大質(zhì)量粒子的加速所產(chǎn)生的,。這到目前為止還是處于無可辯駁的地位,。

但是磁力場和電力場在電磁場中同時存在，帶電粒子在運動中產(chǎn)生磁場,。這樣的話你就可以以平行的方式創(chuàng)造和加速粒子和輻射,；就不需要以球形模式向外擴散了。然而在引力中,，只有引力源（質(zhì)量和能量量子）和空間的曲率能得到這一結(jié)果,。

當你發(fā)現(xiàn)兩個引力源（質(zhì)量）相互旋進并最終合并，這一動作就會產(chǎn)生引力波,。盡管這一過程可能不是直觀的,，但是引力波探測器還是能靈敏的把這些波作為I/r的函數(shù)形式表現(xiàn)出來,，不是I/r^2，而且對所有方向上的波都是能夠探測到的,，不論它們是正向的還是側(cè)向的或者是其他介于這兩種方式的,。

正如研究所證明的那樣，引力波源不管是正向還是側(cè)向或者是以某種角度對著我們的探測器對于是否能接受到引力波都是沒有任何影響的,；它們始終都輻射著可以被測量和觀測到的帶有振幅和頻率信息的引力波,。以我們的肉眼來看不同方向來的引力波或許在強度或者其他屬性上有著那么一點細微的區(qū)別，但是引力波從那個產(chǎn)生它們的源頭以球狀發(fā)散地向外傳播,，只要你的探測器足夠靈敏,，你就可以在宇宙的任何地方大量地觀測到它們。

所以,，那么為什么我們沒能在我們自己的星系探測到來自雙星源的引力波呢,？

雙質(zhì)量源這個說法可能讓你震驚，舉個例子,，就像是黑洞們和中子星們現(xiàn)在這樣,，相互環(huán)繞著旋進者。

（圖中文字：宇宙中的雙人芭蕾舞,，當兩顆中子星圍繞著共同的引力中心起舞的時候,，它們釋放著如右圖這樣的引力波，因為兩個天體都在一點點地損失著它們的環(huán)繞能量,，所以它們就以一個螺旋形的軌道慢慢地接近彼此,，并且軌道周期也會相應的縮短。右邊的圖標顯示著雙脈沖星星系統(tǒng)PSRJ0737-3039的這種進程,。）

從發(fā)現(xiàn)第一個雙中子星系統(tǒng)開始,，就已經(jīng)知道了引力輻射是帶著能量損失的。現(xiàn)在,，我們要找到一個位于最后階段的旋進合并系統(tǒng)就只是時間問題了,。

在觀測到引力波之前發(fā)現(xiàn)了一個看來極其罕見的結(jié)構(gòu)：兩顆脈沖星環(huán)繞著另一顆。我們可以觀測到它的脈沖時間因引力輻射造成的軌道衰減而在某總程度上有些不同,。很多脈沖星，包括多個脈沖星雙星系統(tǒng),，都因此而被發(fā)現(xiàn),。每一個樣本我們都能夠精確的測量它們，我們的確看到了軌道衰減,，它們也的確正在釋放著引力波,。

同樣地，如果我們觀測到X光的話就表明在這個系統(tǒng)的中心一定存在一個黑洞,。然而目前只通過電磁觀測發(fā)現(xiàn)過兩例雙黑洞系統(tǒng),，從觀測結(jié)果中我們了解到大質(zhì)量的黑洞會從伴星那里吸積質(zhì)量,，從而會產(chǎn)生這種X射線雙星的現(xiàn)象。

LIGO和Virgo找到了一大批新的質(zhì)量比從前X光研究單獨發(fā)現(xiàn)的更大的黑洞,。這張圖顯示的是LIGO和Virgo所探測到的全部十個可信的雙黑洞系統(tǒng)的質(zhì)量（藍色部分）,，其中還有一個雙中子星系統(tǒng)（橙色部分）。LIGO/Virgo經(jīng)過靈敏性上的升級,，從這個四月開始應該就可以每周都搜尋雙星合并的事件了,。

這類系統(tǒng)有這些特點：

1在銀河系中含量豐富。

2旋進并輻射出引力波來保存能量,。

3這意味著會有特定頻率和振幅的引力波經(jīng)過我們的探測器,。

4一旦一個天體開始釋放引力波，那么這就意味著終有一天它們會合并在一起,。

但是,，我們依然沒有通過地基探測器觀測到它們。對這種情況有一個簡單直接的解釋：我們的探測器的接受頻率范圍不對,！

上圖是各種引力波探測器的靈敏范圍,，有標記的，特別是橙色的高新激光干涉儀（advanced LIGO）,，暗藍色的LISA,，淡藍的BBO。LIGO只能探測到小質(zhì)量和短期的事件,；

對于更大質(zhì)量的并且處在合并過程早期的黑洞或者系統(tǒng)我們就需要使用更長基線更低噪聲的設備來觀測了,。

只有處在雙星合并過程的最后幾秒鐘所產(chǎn)生的引力波才能被LIGO/Virgon探測到。幾百萬甚至是幾十億年來,，中子星們或者是黑洞們相互圍繞著旋轉(zhuǎn)并且經(jīng)受著軌道的衰減,，它們在徑向分離較大的時候是這樣，也就是說它們的旋轉(zhuǎn)周期更長,，釋放的引力波的頻率更低,。

我們沒能在我們的星系發(fā)現(xiàn)雙星環(huán)繞系統(tǒng)的原因就是LIGO和Virgon的激光臂太短了！如果它們不是三四千米長而是幾百公里長還帶有更多的反射鏡的話,，或許我們早就在我們的星系看見它們了,。就目前的情況來看，這是LISA的一個顯著的進步：它能告訴我們有哪些雙星系統(tǒng)在未來肯定會合并在一起,，甚至能讓我們可以預測在哪里,？什么時候發(fā)生！

三個LISA太空船將會在偏轉(zhuǎn)角20度的軌道呈三角形排開,，它們的臂長將達到,。5百萬千米，這個數(shù)字不是按規(guī)定比例的。LISA在低頻率目標的探測方面將會比LIGO更為靈敏,，這些目標將包括將來某一天LIGO能夠看見的未來的合并過程,。

事實上：在LIGO和Virgon運作的這段時間，我們沒能在我們自己的星系觀測到任何黑洞合并或者中子星碰撞,。這并不令人意外,；從我們的引力波觀測結(jié)果上來看，每一年,，宇宙中會發(fā)生800000次左右的雙黑洞合并事件,，但是宇宙中有兩萬億個星系，也就是說為了觀測到一次合并事件,，我們需要觀測數(shù)以百萬計的星系,！

這就是為什么我們的引力波觀測設備需要靈敏到能夠在所有方向上觀測到那些來自數(shù)十億光年之外的引力波；否則的話我們就不能夠得到足夠量的統(tǒng)計數(shù)據(jù),。

上圖是高新激光干涉儀（advanced LIGO）有能力探測到的黑洞合并的范圍,。值得注意的是即使引力波的振幅會隨著I/r而降低，而星系的數(shù)量將會隨著r^3增長,。

在我們的宇宙中有很多的中子星和黑洞在圍繞著另一個旋轉(zhuǎn),，包括我們在內(nèi)的星系里也是這樣。當我們想要搜尋這些雙星系統(tǒng)的時候,，通過無線電脈沖或者是X光,，能找到相當多數(shù)量的這類系統(tǒng),甚至能找到他們釋放引力波的證據(jù)，雖然我們不是直接看到的,。

如果我們有更靈敏,，能探測到更低頻率引力波的探測器，那我們就有可能直接探測到我們星系里的引力波源,。如果我們想要找到一個真正的合并事件,，那是很難得的。合并或許需要經(jīng)過億萬年的醞釀,，但是真正的合并事件卻只發(fā)生幾分之一秒,。我們只有通過大范圍的觀測才能找到他們，幸運的是,，我們早就擁有能夠支持這項事業(yè)的技術(shù)了,。

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參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. forbes /Ethan Siegel

翻譯：天文志愿文章組- Dr Gustav

審核：天文志愿文章組-汝以姑娘

排版：零度星系