引力波天文學才剛剛起步

來源 | physics.aps.org

作者 | B.S. Sathyaprakash, M. Evans

翻譯 | 王佳

現在，引力波探測器僅僅觸及它們所能帶來的科學發現寶庫的表面。

APS/Carin Cain

圖1：藉助未來的引力波天文臺，研究人員可以發現更多的黑洞、中子星並和事件。這些發現將讓物理學家繼續LIGO和Virgo的壯觀發現之路。

2015年9月14日對物理學來說是一個重要的日子。那天，雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）的研究人員首次探測到了引力波，發現了兩個黑洞的併合。這個被稱為GW150914的觀測，最終證實了引力波的存在——這是已百年歷史的愛因斯坦廣義相對論的一個關鍵預測。最早的引力波探測實驗始於20世紀60年代，現在人們的探求終於取得了成果。

兩年後的2017年8月17日，LIGO和它的姐妹實驗裝置Virgo完成了另一個裡程碑式探測——GW170817，他們捕捉到了一對中子星的旋進和並和。這次碰撞在電磁波譜的一系列波段產生「火花」，被世界各地的望遠鏡記錄到，從而開啟了「多信使」天文學的新紀元。

在第二次探測後的四年裡，LIGO和Virgo獲得了大量引力波數據，這是巨大的寶庫，改變了我們對黑洞和中子星的理解。然而，這些數據僅僅是開始。今天（指美國時間9月2日，相關介紹見墨子沙龍今天二條）公布的新結果繼續了LIGO和Virgo壯觀的發現之路，我們希望未來的天文臺能延續這一徵程。這些設施將一起解決物理學和天文學中一些最重大的問題。

基礎物理學和天文學的新時代

建造LIGO和Virgo，是為了觀察由緻密雙星（比如兩個黑洞或兩個中子星）並和而發出的引力波。而這些類型的並和事件是探測器在前兩輪觀測運行中確信發現的僅有的事件類型。這些觀測讓科學家們有了重大的天體物理學發現，其中一些動搖了已有的認知。

最早的這種發現之一是：引力波以光速傳播。這個結果與廣義相對論一致，但對暗能量所激發的引力理論提出了挑戰，因為在這些理論中，要求引力波以更慢的速度傳播。另一個突破性進展是觀測證實了雙中子星併合是短、硬伽馬射線爆的源，這解決了幾十年來關於這些瞬態高能天體物理事件起源的難題。然後，正如今天宣布的，LIGO和Virgo發現了一個黑洞，它位於所謂的「對不穩定」（pair-instability）質量間隙中，在這些質量區間不應有黑洞形成。因此，這一發現對目前預測黑洞如何形成及其形成環境的天體物理模型提出了質疑。

總之，這些進展解決了舊問題，挑戰了我們對恆星演化基本過程的固有認識，並對實測天體物理學中一些當前問題的解決方案提出了質疑。

ET Design Study team, ET-0106C-10

圖2: 藝術家對「愛因斯坦望遠鏡」（Einstein Telescope）的構想。這一規劃中的地下探測器將由6個V形幹涉儀組成，它們被布置成等邊三角形，每邊長度為10公裡。

未來的天文臺

在接下來的幾年裡，LIGO和Virgo的升級將使緊緻雙星並和事件的探測率提高5-10倍。其他引力波探測器的啟動也會再增加探測率。日本的KAGRA——亞洲的第一個引力波探測器，也是第一個建造在地下的探測器——於最近開始運作了。今年開始施工建造的印度LIGO（LIGO-India）很快也將加入LIGO和Virgo的觀測。LIGO-India使用由LIGO開發的儀器，有望在2025年後投入運行。

其他升級計劃和設施建設也在討論中。例如，對現有LIGO站點的升級計劃（升級後為LIGO- Voyager），旨在提高先進LIGO（Advanced LIGO,簡稱aLIGO）的靈敏度，以使觀測覆蓋體積增加8倍，探測率也有類似提高。還有歐洲的愛因斯坦望遠鏡(Einstein Telescope，簡稱ET),最初構想開始於2008年,目前處於設計的後期階段(圖2)。ET項目提議建造一個地下天文臺,它包含三個V型探測器，分別位於邊長10公裡的等邊三角形的三個角上。美國還有「宇宙探索者」（Cosmic Explorer）項目的想法，其臂長將是LIGO的10倍(圖3)。澳大利亞的NEMO將瞄準觀測雙中子星併合後的信號。總之，這些新設備將能夠探測到可觀測宇宙的邊緣，而對鄰近信號的記錄也將比目前具有更高的保真度。

更多的設備也將有助於確定引力波發射的確切位置。隨著KAGRA和LIGO-India啟動並運行，研究人員可以記錄下一次「五次撞擊」——同一個引力波使所有五個探測器形變。這樣，天文學家就可以用傳統望遠鏡更容易地觀測到黑洞的並和，將需要巡天的面積縮小到原來的1/4。與僅從引力波探測器上收集到的信息相比，多信使觀測可以揭示遠遠更多的關於引力波波源性質和行為的信息。

Evan Hall/Massachusetts Institute of Technology

B. S. Sathyaprakash/Pennsylvania State University

圖3:宇宙探索者探測器的藝術家想像。探測器的臂長為40公裡。

下一代引力波天文學的問題

隨著諸如「愛因斯坦望遠鏡」「宇宙探索者」等新天文臺的投入使用，引力波天文臺觀測黑洞並和的能力將得到飛躍，從現在僅監測鄰近宇宙到能夠巡察整個宇宙。這一進步將使探測器能夠回溯更早的歷史，捕獲恆星形成初期的黑洞、中子星並和事件(圖4)。

Evan Hall and Salvatore Vitale/Massachusetts Institute of Technology

圖4:下一代天文臺將允許研究人員觀察來自黑暗時代的雙星並和，那時的宇宙只有幾億年。這張圖片顯示了未來天文臺觸及的紅移範圍，包括LIGO-Voyager(Voy，橙色)、愛因斯坦望遠鏡(ET，綠色)和宇宙探索者號(CE2，紫色)。圖像的三個部分顯示了雙中子星碰撞的紅移(左上三分之一)，中子星-黑洞並和的紅移(底部三分之一)，以及雙黑洞並和的紅移(右上三分之一)。

這些進步所允諾的發現，以及所展現的澄清宇宙未解之謎、發現新物理和天文現象的潛力，怎麼評價都不為過(圖5)。例如,下一代地基引力波天文臺也許能讓研究人員確定最高密度物質的狀態方程,探測黑洞周圍的暗物質,以及檢驗修正引力理論。下面我們將詳細描述。

B. S. Sathyaprakash/Pennsylvania State University

圖5: 未來的地基引力波天文臺將解決物質本質、時空本質等基本問題。圖中錶盤總結了下一代天文臺將能夠探索的主要科學主題。

極端引力和基礎物理：引力波來自具有強引力和大時空曲率的時空區域，攜帶著關於其來源的未被損害的信息。信號中蘊含有源的性質、其物理特徵(比如碰撞物體的質量)以及源所在環境的性質等信息。

用新的天文臺對波源進行探測，可以對廣義相對論進行有史以來最嚴厲的檢驗，並有可能助於在強磁場中發現違反廣義相對論的現象。例如，觀測結果可能會揭示新的粒子和場，這些粒子和場違反了強等效原理。粗略地說，強等效原理預測自由落體精確地模擬了所有慣性參照系中的零重力條件。研究人員還可能發現違背洛倫茲不變性(相對論的一種基本對稱)的現象，或者檢測到廣義相對論無法預測的引力波極化(引力波中時空扭曲的特徵模式)。我們還可以推斷出量子引力的特徵。例如，一些量子引力理論預測了違反宇稱(一種基本的對稱性，認為系統和它鏡像的物理應該是相同的)的引力波贗標量構型，而另一些理論則預測了雙折射引力波。下一代天文臺也可能探測到標準模型的某些擴展理論所預言的超輕玻色子場。這些場的證據應該來自黑洞雙體的軌道動力學或黑洞的自旋性質。

極端物質與極端環境： 物理學家可以用新探測器探索的其他天體物理系統還有中子星。中子星是宇宙中最緻密的物體，其磁場的大小可達數十億特斯拉。在它們被發現60年後，我們仍然沒有完全理解這些星體核心的狀態方程，也不知道它們巨大磁場的起源。這些磁場可能會使中子星變形，導致其發射引力波，這是未來的天文臺可能會發現的。

當雙星系統的兩顆中子星旋進、並和時，它們會讓彼此受到潮汐場的影響。每顆星體核心處物質的狀態決定了其潮汐形變的大小，這些信息會印刻在它們發出的引力波中。此外，兩顆星體的並和可能會留下一顆短命的、超大質量的中子星。它是在兩顆中子星併合後形成的，在旋轉的支撐下來抵抗自身引力引起的坍縮，維持幾十毫秒時間。這顆超大質量中子星發出的引力輻射也可能揭示超高密度物質狀態相關的未知物理，以及這種物質是否由夸克-膠子（quark-gluon）等離子體組成。

引力波觀測的電磁後續將為揭示R-過程元素的起源提供機會。R-過程元素是原子核快速捕獲多個中子、變得更大而形成的。在宇宙中尋找重元素的起源一直是一個長期存在的難題。GW170817的電磁觀測提供了雙中子星併合產生鑭系元素和其他重元素的首個確鑿證據。但值得注意的是，要確認這種併合事件是否能單獨地解釋宇宙中重元素的豐度，還是需要其他的產生渠道，還需要更多的觀測。

來自宇宙邊緣的黑洞：下一代天文臺將繪製出一張完整的恆星級黑洞的普查圖，範圍從現在直至宇宙形成僅僅幾億年，正在孕育第一代恆星時。這一普查將提供有關黑洞大小的關鍵信息，讓研究人員能夠揭示這種物體是如何形成和成長的。

越來越多的證據表明，在所有星系的中心都存在著巨大的黑洞。這些黑洞(通常被稱為超大質量黑洞)的質量是太陽的10^5到10^10倍，它們的大小很大程度上與星系的大小相關。但我們不知道這些黑洞是如何形成的，也不知道它們是如何變得如此巨大的。所謂的「分層併合模型」假設，超大質量黑洞的種子是由大質量恆星坍縮而成的，然後通過不斷並和變得更大，最終成長為超大質量黑洞。另一種模型則認為，超大質量黑洞的種子是由巨大的氣體雲直接坍縮而形成的。第三個有趣的理論推測，大質量黑洞在原初宇宙中形成，導致了暗物質和重子的坍縮，這觸發了星系的形成。目前為止，LIGO和Virgo的數據還不足以確認這些模型中的任何一個，但未來天文臺提供的更多信息，包括宇宙中最早黑洞的質量、併合事件發生的速率等，將能夠確定超大質量黑洞的起源。

宇宙學和宇宙的早期歷史：大爆炸宇宙學在很大程度上與廣義相對論一致，但宇宙最近時期的加速膨脹無法用愛因斯坦的理論來解釋。這個問題預示著：要麼理論是錯的，要麼存在著能量的一種未知的奇特形式——稱作「暗能量」。此外，從星系尺度到宇宙尺度的觀測為物質的一種奇特形式（稱作「暗物質」）提供了間接證據。但我們仍然缺乏這兩種事物的直接證據。

未來的天文臺可以幫助我們直接探測黑洞和中子星周圍的暗物質。暗物質的存在可能會改變黑洞的自旋。它還能夠修改雙黑洞體系的軌道動力學。另一種可能是，暗物質可能導致中子星內爆，形成太陽質量大小的黑洞，它無法通過其他方式形成。此外,觀測到更大數量的緻密雙星併合事件，以及通過併合紅移的後續電磁觀測,可以精確測量宇宙學參數,如哈勃參數, 暗物質和暗能量的密度,暗能量的狀態方程。這些測量之所以可能，是因為緻密雙星的併合被稱作「標準汽笛」，其亮度可以用來推斷距離。由於廣義相對論完全決定了亮度，所以在這些測量中，不需要任何天體物理模型。這些結果將給宇宙動力學提供一個完全獨立、互補的測量。

更靈敏的探測器還可以探測到所謂的隨機引力波，這種引力波被認為是在宇宙早期產生的。當宇宙從其原始的高溫稠密狀態冷卻下來時，它被認為經歷了幾次相變，這可能產生了引力波背景信號。對這一背景的探測將極大地改變我們對高能粒子物理學的認識，這些能量尺度是地球上的加速器無法達到的。隨機引力波也被預測來自「宇宙弦」，這是一種假設的一維拓撲缺陷，它與早期宇宙的對稱破缺相變有關。

觀測邊疆的源：最後，未來的天文臺可以幫助我們理解超新星、恆星自轉突變和星震的行為。對這三種天體物理現象，人們還知之甚少。這些系統應該產生引力波，可以被更靈敏的探測器探測到。結合引力天文臺、電磁望遠鏡、中微子天文臺的多信使觀測，將使我們能夠從不同方面探究這些極端天體物理事件。

綜上所述，引力波天文學有望回答物理學和天文學中的關鍵問題，而這些問題的解決方案將大大促進我們對宇宙的理解。

B. S. Sathyaprakash：賓夕法尼亞州立大學 Bert Elsbach講席物理學教授。他對引力波的研究始於20世紀80年代末。他的研究圍繞黑洞、中子星、宇宙學和宇宙大尺度結構展開。他還對廣義相對論進行了強場下的檢測。他目前正在領導下一代引力波天文臺的發展，如歐洲的「愛因斯坦望遠鏡」和美國的「宇宙探索者」。

Matthew Evans：於2002年在加州理工學院獲得博士學位，在那裡他從事LIGO的研究工作。他繼續在加州理工學院讀博士後，然後去了歐洲引力天文臺從事Virgo項目的工作。2007年，他在麻省理工學院任research scientist，幫助設計和建造先進LIGO（Advanced LIGO）。現在致力於設計新技術來改進先進LIGO。

本文翻譯自美國物理學會的physics.aps.org網站。感謝文章作者以及physics.aps.org網站的授權。本文是「TREND」欄目文章，中文翻譯省略了參考文獻。原文地址為：https://physics.aps.org/articles/v13/113，點擊左下方閱讀原文即可訪問。

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