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科普文章

引力波天文学才刚刚起步
发布时间:2020-09-06    1473   physics.aps.org

来源 | physics.aps.org

作者 | B.S. Sathyaprakash, M. Evans

翻译 | 王佳


现在,引力波探测器仅仅触及它们所能带来的科学发现宝库的表面。

引力波天文学才刚刚起步

APS/Carin Cain

图1:借助未来的引力波天文台,研究人员可以发现更多的黑洞、中子星并和事件。这些发现将让物理学家继续LIGO和Virgo的壮观发现之路。


2015年9月14日对物理学来说是一个重要的日子。那天,激光干涉引力波天文台(LIGO)的研究人员首次探测到了引力波,发现了两个黑洞的并合。这个被称为GW150914的观测,最终证实了引力波的存在——这是已百年历史的爱因斯坦广义相对论的一个关键预测。最早的引力波探测实验始于20世纪60年代,现在人们的探求终于取得了成果。


两年后的2017年8月17日,LIGO和它的姐妹实验装置Virgo完成了另一个里程碑式探测——GW170817,他们捕捉到了一对中子星的旋进和并和。这次碰撞在电磁波谱的一系列波段产生“火花”,被世界各地的望远镜记录到,从而开启了“多信使”天文学的新纪元。


在第二次探测后的四年里,LIGO和Virgo获得了大量引力波数据,这是巨大的宝库,改变了我们对黑洞和中子星的理解。然而,这些数据仅仅是开始。今天(指美国时间9月2日,相关介绍见墨子沙龙今天二条)公布的新结果继续了LIGO和Virgo壮观的发现之路,我们希望未来的天文台能延续这一征程。这些设施将一起解决物理学和天文学中一些最重大的问题。


基础物理学和天文学的新时代


建造LIGO和Virgo,是为了观察由致密双星(比如两个黑洞或两个中子星)并和而发出的引力波。而这些类型的并和事件是探测器在前两轮观测运行中确信发现的仅有的事件类型。这些观测让科学家们有了重大的天体物理学发现,其中一些动摇了已有的认知。


最早的这种发现之一是:引力波以光速传播。这个结果与广义相对论一致,但对暗能量所激发的引力理论提出了挑战,因为在这些理论中,要求引力波以更慢的速度传播。另一个突破性进展是观测证实了双中子星并合是短、硬伽马射线爆的源,这解决了几十年来关于这些瞬态高能天体物理事件起源的难题。然后,正如今天宣布的,LIGO和Virgo发现了一个黑洞,它位于所谓的“对不稳定”(pair-instability)质量间隙中,在这些质量区间不应有黑洞形成。因此,这一发现对目前预测黑洞如何形成及其形成环境的天体物理模型提出了质疑。


总之,这些进展解决了旧问题,挑战了我们对恒星演化基本过程的固有认识,并对实测天体物理学中一些当前问题的解决方案提出了质疑。


引力波天文学才刚刚起步

ET Design Study team, ET-0106C-10

图2: 艺术家对“爱因斯坦望远镜”(Einstein Telescope)的构想。这一规划中的地下探测器将由6个V形干涉仪组成,它们被布置成等边三角形,每边长度为10公里。


未来的天文台


在接下来的几年里,LIGO和Virgo的升级将使紧致双星并和事件的探测率提高5-10倍。其他引力波探测器的启动也会再增加探测率。日本的KAGRA——亚洲的第一个引力波探测器,也是第一个建造在地下的探测器——于最近开始运作了。今年开始施工建造的印度LIGO(LIGO-India)很快也将加入LIGO和Virgo的观测。LIGO-India使用由LIGO开发的仪器,有望在2025年后投入运行。


其他升级计划和设施建设也在讨论中。例如,对现有LIGO站点的升级计划(升级后为LIGO- Voyager),旨在提高先进LIGO(Advanced LIGO,简称aLIGO)的灵敏度,以使观测覆盖体积增加8倍,探测率也有类似提高。还有欧洲的爱因斯坦望远镜(Einstein Telescope,简称ET),最初构想开始于2008年,目前处于设计的后期阶段(图2)。ET项目提议建造一个地下天文台,它包含三个V型探测器,分别位于边长10公里的等边三角形的三个角上。美国还有“宇宙探索者”(Cosmic Explorer)项目的想法,其臂长将是LIGO的10倍(图3)。澳大利亚的NEMO将瞄准观测双中子星并合后的信号。总之,这些新设备将能够探测到可观测宇宙的边缘,而对邻近信号的记录也将比目前具有更高的保真度。


更多的设备也将有助于确定引力波发射的确切位置。随着KAGRA和LIGO-India启动并运行,研究人员可以记录下一次“五次撞击”——同一个引力波使所有五个探测器形变。这样,天文学家就可以用传统望远镜更容易地观测到黑洞的并和,将需要巡天的面积缩小到原来的1/4。与仅从引力波探测器上收集到的信息相比,多信使观测可以揭示远远更多的关于引力波波源性质和行为的信息。

引力波天文学才刚刚起步

Evan Hall/Massachusetts Institute of Technology

B. S. Sathyaprakash/Pennsylvania State University

图3:宇宙探索者探测器的艺术家想象。探测器的臂长为40公里。


下一代引力波天文学的问题


随着诸如“爱因斯坦望远镜”“宇宙探索者”等新天文台的投入使用,引力波天文台观测黑洞并和的能力将得到飞跃,从现在仅监测邻近宇宙到能够巡察整个宇宙。这一进步将使探测器能够回溯更早的历史,捕获恒星形成初期的黑洞、中子星并和事件(图4)。

引力波天文学才刚刚起步

Evan Hall and Salvatore Vitale/Massachusetts Institute of Technology

图4:下一代天文台将允许研究人员观察来自黑暗时代的双星并和,那时的宇宙只有几亿年。这张图片显示了未来天文台触及的红移范围,包括LIGO-Voyager(Voy,橙色)、爱因斯坦望远镜(ET,绿色)和宇宙探索者号(CE2,紫色)。图像的三个部分显示了双中子星碰撞的红移(左上三分之一),中子星-黑洞并和的红移(底部三分之一),以及双黑洞并和的红移(右上三分之一)。


这些进步所允诺的发现,以及所展现的澄清宇宙未解之谜、发现新物理和天文现象的潜力,怎么评价都不为过(图5)。例如,下一代地基引力波天文台也许能让研究人员确定最高密度物质的状态方程,探测黑洞周围的暗物质,以及检验修正引力理论。下面我们将详细描述。

引力波天文学才刚刚起步

B. S. Sathyaprakash/Pennsylvania State University

图5: 未来的地基引力波天文台将解决物质本质、时空本质等基本问题。图中表盘总结了下一代天文台将能够探索的主要科学主题。


极端引力和基础物理:引力波来自具有强引力和大时空曲率的时空区域,携带着关于其来源的未被损害的信息。信号中蕴含有源的性质、其物理特征(比如碰撞物体的质量)以及源所在环境的性质等信息。


用新的天文台对波源进行探测,可以对广义相对论进行有史以来最严厉的检验,并有可能助于在强磁场中发现违反广义相对论的现象。例如,观测结果可能会揭示新的粒子和场,这些粒子和场违反了强等效原理。粗略地说,强等效原理预测自由落体精确地模拟了所有惯性参照系中的零重力条件。研究人员还可能发现违背洛伦兹不变性(相对论的一种基本对称)的现象,或者检测到广义相对论无法预测的引力波极化(引力波中时空扭曲的特征模式)。我们还可以推断出量子引力的特征。例如,一些量子引力理论预测了违反宇称(一种基本的对称性,认为系统和它镜像的物理应该是相同的)的引力波赝标量构型,而另一些理论则预测了双折射引力波。下一代天文台也可能探测到标准模型的某些扩展理论所预言的超轻玻色子场。这些场的证据应该来自黑洞双体的轨道动力学或黑洞的自旋性质。


极端物质与极端环境: 物理学家可以用新探测器探索的其他天体物理系统还有中子星。中子星是宇宙中最致密的物体,其磁场的大小可达数十亿特斯拉。在它们被发现60年后,我们仍然没有完全理解这些星体核心的状态方程,也不知道它们巨大磁场的起源。这些磁场可能会使中子星变形,导致其发射引力波,这是未来的天文台可能会发现的。


当双星系统的两颗中子星旋进、并和时,它们会让彼此受到潮汐场的影响。每颗星体核心处物质的状态决定了其潮汐形变的大小,这些信息会印刻在它们发出的引力波中。此外,两颗星体的并和可能会留下一颗短命的、超大质量的中子星。它是在两颗中子星并合后形成的,在旋转的支撑下来抵抗自身引力引起的坍缩,维持几十毫秒时间。这颗超大质量中子星发出的引力辐射也可能揭示超高密度物质状态相关的未知物理,以及这种物质是否由夸克-胶子(quark-gluon)等离子体组成。


引力波观测的电磁后续将为揭示R-过程元素的起源提供机会。R-过程元素是原子核快速捕获多个中子、变得更大而形成的。在宇宙中寻找重元素的起源一直是一个长期存在的难题。GW170817的电磁观测提供了双中子星并合产生镧系元素和其他重元素的首个确凿证据。但值得注意的是,要确认这种并合事件是否能单独地解释宇宙中重元素的丰度,还是需要其他的产生渠道,还需要更多的观测。


来自宇宙边缘的黑洞:下一代天文台将绘制出一张完整的恒星级黑洞的普查图,范围从现在直至宇宙形成仅仅几亿年,正在孕育第一代恒星时。这一普查将提供有关黑洞大小的关键信息,让研究人员能够揭示这种物体是如何形成和成长的。


越来越多的证据表明,在所有星系的中心都存在着巨大的黑洞。这些黑洞(通常被称为超大质量黑洞)的质量是太阳的10^5到10^10倍,它们的大小很大程度上与星系的大小相关。但我们不知道这些黑洞是如何形成的,也不知道它们是如何变得如此巨大的。所谓的“分层并合模型”假设,超大质量黑洞的种子是由大质量恒星坍缩而成的,然后通过不断并和变得更大,最终成长为超大质量黑洞。另一种模型则认为,超大质量黑洞的种子是由巨大的气体云直接坍缩而形成的。第三个有趣的理论推测,大质量黑洞在原初宇宙中形成,导致了暗物质和重子的坍缩,这触发了星系的形成。目前为止,LIGO和Virgo的数据还不足以确认这些模型中的任何一个,但未来天文台提供的更多信息,包括宇宙中最早黑洞的质量、并合事件发生的速率等,将能够确定超大质量黑洞的起源。


宇宙学和宇宙的早期历史:大爆炸宇宙学在很大程度上与广义相对论一致,但宇宙最近时期的加速膨胀无法用爱因斯坦的理论来解释。这个问题预示着:要么理论是错的,要么存在着能量的一种未知的奇特形式——称作“暗能量”。此外,从星系尺度到宇宙尺度的观测为物质的一种奇特形式(称作“暗物质”)提供了间接证据。但我们仍然缺乏这两种事物的直接证据。


未来的天文台可以帮助我们直接探测黑洞和中子星周围的暗物质。暗物质的存在可能会改变黑洞的自旋。它还能够修改双黑洞体系的轨道动力学。另一种可能是,暗物质可能导致中子星内爆,形成太阳质量大小的黑洞,它无法通过其他方式形成。此外,观测到更大数量的致密双星并合事件,以及通过并合红移的后续电磁观测,可以精确测量宇宙学参数,如哈勃参数, 暗物质和暗能量的密度,暗能量的状态方程。这些测量之所以可能,是因为致密双星的并合被称作“标准汽笛”,其亮度可以用来推断距离。由于广义相对论完全决定了亮度,所以在这些测量中,不需要任何天体物理模型。这些结果将给宇宙动力学提供一个完全独立、互补的测量。


更灵敏的探测器还可以探测到所谓的随机引力波,这种引力波被认为是在宇宙早期产生的。当宇宙从其原始的高温稠密状态冷却下来时,它被认为经历了几次相变,这可能产生了引力波背景信号。对这一背景的探测将极大地改变我们对高能粒子物理学的认识,这些能量尺度是地球上的加速器无法达到的。随机引力波也被预测来自“宇宙弦”,这是一种假设的一维拓扑缺陷,它与早期宇宙的对称破缺相变有关。


观测边疆的源:最后,未来的天文台可以帮助我们理解超新星、恒星自转突变和星震的行为。对这三种天体物理现象,人们还知之甚少。这些系统应该产生引力波,可以被更灵敏的探测器探测到。结合引力天文台、电磁望远镜、中微子天文台的多信使观测,将使我们能够从不同方面探究这些极端天体物理事件。


综上所述,引力波天文学有望回答物理学和天文学中的关键问题,而这些问题的解决方案将大大促进我们对宇宙的理解。

引力波天文学才刚刚起步

B. S. Sathyaprakash:宾夕法尼亚州立大学 Bert Elsbach讲席物理学教授。他对引力波的研究始于20世纪80年代末。他的研究围绕黑洞、中子星、宇宙学和宇宙大尺度结构展开。他还对广义相对论进行了强场下的检测。他目前正在领导下一代引力波天文台的发展,如欧洲的“爱因斯坦望远镜”和美国的“宇宙探索者”。


Matthew Evans:于2002年在加州理工学院获得博士学位,在那里他从事LIGO的研究工作。他继续在加州理工学院读博士后,然后去了欧洲引力天文台从事Virgo项目的工作。2007年,他在麻省理工学院任research scientist,帮助设计和建造先进LIGO(Advanced LIGO)。现在致力于设计新技术来改进先进LIGO。


本文翻译自美国物理学会的physics.aps.org网站。感谢文章作者以及physics.aps.org网站的授权。本文是“TREND”栏目文章,中文翻译省略了参考文献。原文地址为:https://physics.aps.org/articles/v13/113,点击左下方阅读原文即可访问。


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