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引力波有什么用?能解释6大宇宙现象 分享

据《自然》杂志报道,先进激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布首次直接探测到引力波的存在,科学家们测量到2个黑洞碰撞产生的时空涟漪。此次发现不仅证实了阿尔伯特·爱因斯坦100年前预言的引力波,而且还有更多的重大意义。

作为时空构造中的震动,引力波常常被比作声音波,甚至可转变为声音片段。实际上,引力波天文望远镜允许科学家在光学望远镜“看到”的同时“听到”这种现象。(LIGO和意大利比萨更小的同类天文台Virgo的会员,已经建立一个提醒其他类型天文望远镜社区的系统)

在上世纪90年代初,LIGO努力争取美国政府的资金支持,但天文学家却在国会听证会上极力反对。他们的观点是LIGO与天文没什么关系,但佛罗里达州大学盖恩斯维尔分校的相对论学家和早期LIGO支持者克利福德·威尔(Clifford Will)称,现在情况改变了。

欢迎来到天文学引力波领域:我们将看看引力波能研究哪些问题和现象。

1、黑洞是否真实存在?

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LIGO探测到黑洞合并的重要科学意义是,证实黑洞真实存在——至少是广义相对论预测的由纯净、真空、扭曲时空组成的完美圆形物体。天文学家已经获得了大量有关黑洞的间接证据,但至今都是来自观测围绕黑洞的星体和超热气体,而非黑洞本身获得。

新泽西普林斯顿大学广义相对论模拟专家弗朗斯·普雷托里乌斯(Frans Pretorius)在LIGO宣布前曾表示:“科学界包括我自己都非常厌倦了黑洞话题,我们都认为黑洞是理所当然存在,但如果你考虑到这是非常惊人的预测,真的需要惊人的证据。”

LIGO探测到的信号提供了证据——也证实2个黑洞合并过程与预期一致。当2个黑洞开始螺旋式相互靠拢,以引力波形式释放能量时,合并发生了。LIGO探测到这种波的特殊声音,被称为啁啾,允许科学家测量天文台观测到的事件中2个物体的质量:一个约为太阳的36倍,另一个为29倍。

接下来黑洞融合了。巴黎高级科学研究院的引力理论学家迪博·达姆尔(Thibault Damour)表示:“如同将2个肥皂泡沫靠得很近变成一个泡沫,起初更大的泡沫产生变形。”正如LIGO看到的,2个黑洞合并后变成一个完美的球形,但起初以衰荡形式向外辐射引力波。

2、引力波是否以光速传播?

当科学家开始将LIGO的观测结果与其他类型天文望远镜的观测结果进行对比,他们首先要核实的事情之一就是这些信号是否是同时到达。物理学家猜测,引力是通过被称为引力子的粒子传播,类似光波中的光子。如果这些粒子与光子一样没有质量,那么引力波就可以光速传播,符合广义相对论对引力波速度的预测。(速度会受宇宙加速膨胀的影响,但要在超过LIGO能探测的远得多的距离才能显现)

引力子有很小质量也是可能的,这意味着引力波的速度会低于光速。如果这样,LIGO和Virgo可从宇宙事件中探测到引力波,这些波到达地球的时间要比其他天文望远镜探测到的相关γ射线爆发要晚,这对基础物理学将有巨大的影响。

3、时空是否由宇宙弦组成

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如果引力波爆发被探测到来自“宇宙弦”,将产生更奇怪的发现。在时空弯曲中出现的这些假设的瑕疵,可能也可能不是与弦理论有关,将是无限薄但在整个宇宙中延伸。研究人员预测,这些宇宙弦如果存在可能会偶尔打结,如果一根弦断了,会突然释放出一阵引力波,然后被LIGO和Virgo等探测器测量到。

4、中子星

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中子星是恒星因自身质量而坍塌的遗迹,密度非常大,导致电子和质子融合为中子。这种极端物理现象难以理解,但引力波提供了独特的视角。例如,中子星表面的巨大引力往往使它们几乎成为完美的球形。但一些研究人员通过理论研究发现,中子星也可能存在“山脉”——虽然最多只有几毫米高——但足以使直径约为10公里的中子星产生不匀称。中子星通常旋转速度很快,因此质量的不均匀分布可能会破坏时空,以正弦波形式产生持续的引力波信号,辐射能量并放慢中子星的旋转速度。

相互绕轨道运行的一对中子星也可能产生持续的信号,如同黑洞一样,这些星体以螺旋方式相互缠绕并最终合并,有时会产生声音啁啾。但它们的最终融合可能与黑洞有很大不同。普雷托里乌斯称:“有很多可能,这要看质量和高密度中子物体产生的压力。”例如,合并后的星体可能是巨大的中子星,也可能迅速坍塌变成黑洞。

5、恒星为何爆炸?

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质量巨大的恒星不再发光并因自身质量而坍塌,形成了黑洞和中子星。天体物理学家认为,这个过程就是II型超新星爆炸。但通过对这种过程的模拟还无法解释爆炸的原因,而超新星产生的引力波爆发可帮助解释这种现象。从射电天文望远镜观测到这种爆发的波形、声音、频率和它们与超新星的关系,可帮助验证或否定现有的各种模型。

6、宇宙膨胀速度多快?

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宇宙膨胀意味着从银河系看,遥远的星体比实际更红,因为它们发出的光在旅行过程中被拉长了。通过对比星系的红移(red shift)与星系与我们的距离,宇宙学家可以估计出宇宙膨胀的速度。但这种距离通常用la型超新星的亮度来判断——这种手段带来很大不确定性。

如果全球多个引力波探测器能同时探测到同一中子星合并的信号,它们将能估计信号的绝对响度,揭示合并发生与地球的距离。它们也能用于估计信号的方向,然后天文学家可推断出合并发生在哪个星系。将星系的红移与引力波响度测量出的合并发生的距离进行对比,可独立估计出宇宙膨胀的速度,精确度可能超过当前任何手段。(木秀林)

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