時空漣漪助力宇宙學研究
2021-02-25 引力天文芝加哥大學的科學家提出了如何加擾LIGO引力波信號並產生信息的方法。
我們的宇宙理論有些不足之處。一些科學家認為罪魁禍首可能是引力，這種時空結構中的細微漣漪可以幫助我們找到缺失的部分。
一篇由芝加哥大學科學家共同撰寫的新論文闡述了這一原理。該論文發表在最近的《物理學評論D》上（點擊文末「閱讀原文」查看論文），該方法依據的是引力波的引力透鏡效應（gravitational wave lensing）--引力波經過超大質量黑洞或大型星系時其軌跡被偏折的現象。
超越廣義相對論的引力波透鏡示意圖。當雙黑洞發射的引力波進入由
問題在於，某種事物不僅使宇宙膨脹，而且膨脹速率越來越快，甚至沒人知道它是什麼，對膨脹速率的確定在宇宙學界也一直存在爭議。
科學家提出了各種各樣的理論來解釋缺失的部分。論文的第一作者、芝加哥大學科維裡宇宙物理研究所的NASA愛因斯坦博士後Jose María Ezquiaga說：「其中許多依賴於改變引力在大尺度範圍的作用方式。因此，引力波是觀察這些可能的修改引力的理想信使。」
引力波是時空的漣漪。自2015年以來，人類已經能夠使用LIGO天文臺捕捉這些漣漪。每當兩個巨大的天體在宇宙中的某個地方碰撞時，它們就會產生一個在太空中傳播的漣漪，攜帶著任何形成它（可能是兩個黑洞或兩個中子星碰撞）的特徵。
該圖顯示了兩個質量幾乎相等的黑洞旋近併合發出的引力波。黑洞附近的黃色結構說明了該區域的時空強烈彎曲。橙色的漣漪表示由快速繞轉的質量引起的時空扭曲。這些扭曲擴散並減弱，最終形成引力波（紫色）。@ NASA/Bernard J. Kelly, Chris Henze and Tim Sandstrom
在這篇論文中，Ezquiaga及其合著者Miguel Zumalácarregui（德國馬克斯普朗克引力物理研究所和美國伯克利宇宙物理中心）認為，如果這些引力波在到達地球的途中遭遇超大質量黑洞或星系團，則波形的特徵將會被改變。如果愛因斯坦的理論與真實的引力存在差異，則證據將會被嵌入到這些波形特徵中。
波形混合併創造出獨特的新信號。@ Ezquiaga & Zumalacarregui
例如，一種關於宇宙缺失部分的理論認為存在額外的粒子。除其它效應外，此類粒子還會在大型天體周圍產生一種背景或「介質」。如果行進的引力波碰到一個超大質量黑洞，它將會產生一種波，這種波會和引力波本身混合在一起。根據遇到的物體，引力波信號可能帶有「回波」，或出現混亂。
「這是一種新方法，它可以探查以前無法檢驗的方案，」Ezquiaga說。
他們的論文為如何在未來的數據中發現這些效應提供了條件。LIGO的下一次運行計劃於2022年開始，升級後的探測器將比以前更加靈敏。
「在最近的一次LIGO觀測中，我們每六天就可以看到一次新的引力波信號，這是驚人的。但是在整個宇宙中，我們認為它們實際上每五分鐘發生一次，」Ezquiaga說。「在下一次升級後，我們每年可能會看到數百起這樣的事件。」
他說，引力波事件數量的增加將使引力波穿過巨大天體的可能性更大，科學家們將能夠對其進行分析，以尋找缺失成分的線索。
論文：Jose María Ezquiaga et al. Gravitational wave lensing beyond general relativity: Birefringence, echoes, and shadows, Physical Review D (2020). DOI: 10.1103/PhysRevD.102.124048
原文：Ripples in space-time could provide clues to missing components of the universe
來源：https://news.uchicago.edu/story/ripples-space-time-could-provide-clues-missing-components-universe
編譯：小R君
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