引力波如何解决一些宇宙最深奥的谜团科技创新

2018-05-17

和许多科学家一样,舒茨希望最好的发现将成为没有理论家梦寐以求的发现。 “任何时候你开始观察如此全新的事物,总会有可能看到你不期望的事情。”

纺纱线索

对于一个尚未三年的研究领域,引力波天文学以惊人的速度发现了发现,甚至超过了最好的期望。除了8月份发现的中子星合并以外,LIGO自2015年以来录制了五对黑洞合并成较大的黑洞(请参阅“制造波浪”)。这些发现是最直接的证据,但黑洞确实存在并具有广义相对论预测的特性。他们还首次透露了一对相互围绕着轨道的黑洞。

研究人员现在希望了解这种配对是如何形成的。当大质量恒星的核心燃料耗尽并坍塌时,每对中的单个黑洞应该形成,释放超新星爆炸并留下质量范围从几个到几十个太阳的黑洞。

关于这种黑洞如何相互循环有两个主要场景:它们可能始于彼此轨道上的大质量恒星,并且即使在每个超新星出现后都会保持在一起。或者,黑洞可能会独立形成,但后来会被频繁的与其他物体的引力相互作用驱动 - 这些可能发生在密集星团的中心。

无论哪种方式,物体的能量逐渐以引力波的形式分散,这一过程将两者拉成更紧密更快的螺旋,最终融合成一个更大的黑洞。英国伯明翰大学的LIGO理论家伊利亚曼德尔说,对于LIGO和Virgo来说,看到这样的对子合并,典型的黑洞需要开始它们的相互轨道,相距不到地球和地球之间四分之一的距离太阳。曼德尔说:“如果两颗黑洞的距离更远,那么它们需要比宇宙年龄更长的时间才能合并。

到目前为止发现的五个黑洞合并并不足以确定哪种形成方案占主导地位。但在前三次检测的8月份分析中,包括Mandel和Will Farr在内的一个小组,理论天体物理学家和伯明翰大学的LIGO成员表示,只有十个观测值可以提供大量证据支持一个场景或另一个场景1。这将涉及仔细研究引力波以寻找关于黑洞如何旋转的线索:独立成形后配对的那些应该具有随机定向的自旋,而具有共同起源的那些应该具有彼此平行并且大致垂直于平面的自旋轴在他们的轨道中。

进一步的观察还可以提供关于黑洞形成和恒星演化的一些基本问题的见解。伊利诺斯州埃文斯顿西北大学的LIGO天体物理学家Vicky Kalogera说,收集许多质量测量数据应该能够发现差距 - 几乎不存在黑洞的范围,Vicky Kalogera说。她说,特别是“低质量端应该有少量的黑洞”,因为相对较小的超新星往往会留下中子星而不是黑洞,成为残余物。而在高端 - 大约是太阳质量的50倍 - 研究人员希望看到另一个截止点。在非常大的恒星中,核心处的压力最终会被认为会产生反物质,导致爆炸如此猛烈,以至于恒星只会分解而不会留下任何残余物。这些被称为配对不稳定超新星的事件已经被理论化,但迄今为止还没有足够的观测证据来支持它们。

如何用一个大小为地球的望远镜寻找黑洞 / aside

最终,黑洞探测将以星系测量的方式描绘宇宙地图,Rainer Weiss是剑桥麻省理工学院的物理学家,他是LIGO的首席设计师。一旦数字堆积如山,“我们实际上可以开始看到整个宇宙在黑洞中”,他说。 “每一块天体物理学都会从中得到一些东西。”

为了加强这些观察,LIGO和Virgo计划提高他们的敏感度,这不仅会揭示更多事件,而且还会揭示每个合并的更多细节。除此之外,物理学家渴望看到合并后黑洞发出的详细的“振荡”波,因为它会形成球形 - 这种观察可能会揭示广义相对论中的裂缝。

在全球范围内推广更多的观测站也至关重要。正在建设中的日本深井地下探测器KAGRA可能会在2019年底开始采集数据。它的位置 - 特别是其相对于入射波的方向 - 将补充LIGO和处女座,并使研究人员能够确定引力波,它编码关于轨道平面的方向和旋转物体的自旋的信息。而且印度计划在未来十年建造另一个天文台,部分由LIGO的备件组成。

观察中子星合并可能会产生更大的发现。到目前为止,研究人员已经宣布只有一种这样的检测,称为GW170817。去年8月发布的这个信号几乎肯定是天文学史上研究最深入的事件。它一举解决了许多长久以来的谜团,包括宇宙中黄金和其他重元素的来源2以及一些γ射线爆发的原因3。

进一步的观察可以让科学家探索这些物体的内部。中子星被认为和物质一样致密,而不会陷入黑洞,但是人们猜测的密度是多么的密集。没有一个实验室的实验可以研究这些条件,并且有几十个关于那里发生的事情的建议。一些理论预言夸克 - 构成质子和中子的亚原子组分应该相互摆脱,并且可能在超导超流状态中漫游。其他人则认为较重的“奇怪的”夸克会形成并成为中子的异国表亲的一部分。

固定中子星的半径可能会让物理学家评估理论,因为他们预测了不同的'状态方程' - 将压力,温度和物质密度联系起来的公式。这些方程式决定了物质在多大程度上可以被压缩,以及中子星对于一个给定的质量有多宽或多少,以及这样的恒星可以获得多大的质量。

中子星设置打开他们沉重的心脏 / aside

8月份的100秒信号最终在LIGO和处女座的侦测中变得过高,这阻止了天文台看到两颗中子星的最后时刻,当时它们本应以相互变形的方式展现出来尺寸和硬度,或抗压缩性。尽管如此,宾夕法尼亚州立大学LIGO理论物理学家BS Sathyaprakash说,从这一事件中,“我们可以排除允许半径大于15公里的中子星尺寸的状态方程” - 这个数字是与其他测量结果一致并且有利于“较软”的事情。

未来的检测和检测器将提供更多细节。 Sathyaprakash说,爱因斯坦望远镜是欧洲一个小组梦寐以求的可能的下一代天文台,可能会让物理学家远远超出上限。 “我们希望能够将半径缩小到100米的高度,”他说 - 鉴于这些物体距离数百万光年远,这个精度令人震惊。

警笛呼叫

通过引力波和光线观测到的与GW170817类似的信号可能对宇宙学产生巨大影响。舒茨在1985年计算出,螺旋物体的波浪的频率或间距以及该间距增加的速率揭示了物体集体质量的信息4。这决定了他们的波浪应该是多么强大。通过测量到达地球的波的强度 - 干涉仪实际拾取的信号的幅度 - 然后可以估计波从源头传播的距离。例如,所有其他条件相同的情况下,信号源的两倍就会产生一半的信号。这种类型的信号被称为标准警报器,以点测量宇宙学距离的常用方法:被称为标准蜡烛的恒星具有众所周知的亮度,这使得研究人员可以计算出它们与地球的距离。

通过将GW170817的距离测量与该地区星系离地球速度的估算相结合,Schutz及其合作者对哈勃常数做出了新的完全独立的估计 - 宇宙目前的扩张速率(请参阅'宇宙标志“)。结果5是LIGO,Virgo和其他70个天文团队在10月16日发布的一份论文的一部分,“为宇宙学和天体物理学带来了一个新时代”,伊利诺斯州芝加哥大学天文学家Wendy Freedman说道。他使用历史悠久但不太直接的技术,对哈勃常数进行了高度精确的测量。

作为这种不变的直接和独立的衡量标准警报器可以帮助解决宇宙学家之间的分歧。先进的技术,经过近一个世纪的工作,从埃德温哈勃开始,现在给出的估计相差百分之几。这第一次标准警报测量并不能解决紧张局势:它预测的扩展速率会落在该范围的中间位置,因为它仅基于一个合并事件,因此具有大的误差线。但是在未来,研究人员期望标准警报器能够确定哈勃常数,其误差小于1%。到目前为止,标准蜡烛的精度已经达到了2-3%。

标准警报器可能会成为更强大的工具,其中包括空间干涉仪,例如激光干涉仪空间天线(LISA),这是探测器的三个组成部分,欧洲空间局正在领导该任务,计划在2030年代发射。 LISA旨在对地面观测站无法检测到的低频波敏感。这将使它能够接触更大规模的系统,从而辐射更强的引力波。原则上,LISA可以从宇宙中拾取警报,并且在传统望远镜的帮助下,不仅可以测量当前宇宙膨胀的速度,而且可以测量这些速度是如何通过这些速度演变的。因此,LISA可以帮助解决宇宙学最大的难题:暗能量的本质,即宇宙扩张加速的尚未确定的宇宙组成部分。

尽管地基干涉仪可以检测到短暂的事件,但LISA预计会在接通信号后立即听到一连串的信号,其中包括一连串紧密的双星白矮星 - 太阳大小的星星无处不在的残余物 - 我们自己的星系。 “就好像我们住在嘈杂的森林里一样,我们必须挑选出个体鸟类的声音,”意大利米兰比可卡大学的天体物理学家莫妮卡科尔皮说,他是设立特派团科学目标的委员会的成员。

偶尔,LISA应该看到像LIGO那样的黑洞兼并,但规模要大得多。大多数星系被认为拥有一个中心的超大质量黑洞,重达数百万甚至数十亿太阳质量。在数十亿年的规模上,星系可能会合并多次;最终,他们的中央黑洞也可能会合并。这些事件对个别星系来说并不常见,但由于可观测宇宙中有数万亿个星系,因此每年至少会发生几次可检测的合并。科学家们正在寻找一种单独的方式来检测这些巨兽在它们轨道的早期阶段对引力波的影响。他们使用射电望远镜监测银河系内的脉冲星,并观察由引力波通过银河系引起的信号的微小变化。今天,在澳大利亚,欧洲和北美有三个'脉冲星定时阵列',第四个在中国成立。

由于LISA计划的灵敏度以及螺旋超大质量黑洞产生的强烈信号,天文台应该能够在它们合并之前的几个月内从超大质量黑洞中获得引力波,并且看到合并的细节足以检验广义相对论高精准度。经过多年的运作,LISA可以为研究人员积累足够多的遥远事件,以重建宇宙历史中星系的等级形成 - 多么小的结合形成更大更大的星系。

魏斯说,物理学家也开始了一些“伟大的新事业”。一个美国团队设想一个拥有40公里探测臂的宇宙探测器 - LIGO的10倍 - 这对于远离事件的信号很敏感,可能在整个可观测的宇宙中。

欧洲的爱因斯坦望远镜的概念要求探测器具有10公里长的等臂三角形放置在地下100米左右的隧道中。那里安静的条件可能有助于扩大天文台的覆盖范围,频率可达目前机器可检测到的十分之一。这可能会让科学家发现黑洞,超出被认为被对偶不稳定超新星禁止的范围;在足够高的质量下,恒星应该具有不同的崩溃机制,并能够形成100个太阳质量或更多的黑洞。

如果科学家很幸运,引力波甚至可以让他们进入宇宙大爆炸本身的物理学,在无法用任何其他方法观察的时代。在宇宙的第一时刻,两个基本力量 - 电磁力和弱核力 - 难以区分。 Schutz说,当这些力量分离时,它们可能产生了引力波,今天,它可能表现为LISA可检测到的“随机嘶嘶声”。这个假设的信号不同于更早的波长,它可能出现在宇宙最古老的可见辐射中:宇宙微波背景。 2014年,一个研究小组6报告说它已经用BICEP2望远镜在南极观测到了这种效应,但研究人员后来承认这种解释存在问题7。

今年晚些时候,LIGO和Virgo重新开放,Weiss愿望清单上的下一个重大发现是来自一颗坍塌恒星的信号 - 天文学家也可能将其视为一种超新星。但他对即将到来的其他事物寄予厚望。 “如果我们没有看到我们没有想到的东西,”Weiss说。 “我会失望的。”

Nature 556,164-168(2018)