你知道引力波也能像光一樣轉彎嗎？

2020-10-14 牧夫天文

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原作：BRIAN KOBERLEIN

翻譯：黃雪妮

校譯：徐鵬暉 唐佳欣

審閱：牧夫天文校對組

編排：王招君

後臺：庫特莉亞芙卡 李子琦 徐⑨坤

原文連結：

https://www.universetoday.com/148230/gravitational-wave-lensing-is-possible-but-its-going-to-be-incredibly-difficult-to-detect/

引力是個奇怪的東西。在我們的日常生活中，我們認為它是一種力。它把我們拉向地球，使行星繞著恆星運行。但事實上引力並不是一種力,而是時空的扭曲使物體的運動軌跡發生彎曲的一種效應。如果你在太空深處扔出一個球，它會遵循牛頓第一運動定律運動，也就是沿直線運動。但如果你在地球表面附近扔出同樣的一個球，它會沿著拋物線運動，這是因為地球扭曲了周圍的時空。

因為物質會使空間彎曲，所以它也會使光的傳播路徑偏轉。我們稱之為引力透鏡效應。通常情況下，當來自遙遠星系或類星體的光在來地球的路上經過較大質量的天體時，就會發生這種情況。引力透鏡可以聚焦光線，使一個遙遠的星系顯得更亮，這有助於我們觀察一些更遙遠的星系。

引力波的動畫插圖。

來源:ESA-C.Carreau

導致空間扭曲的物質在運動時會產生引力波，就像你把一塊石頭扔進池塘裡會產生漣漪一樣。大多數的引力波太微弱，無法探測，但我們可以觀測到由黑洞合併引起的強引力波。通過觀察幾次黑洞合併產生的引力波，科學家已經證實引力波是以光速傳播的，這正如廣義相對論所預測的那樣。這意味著引力波的傳播路徑也可以在引力的作用下彎曲。

扭曲的空間使光的傳播路徑發生彎曲。

來源:APS /Alan Stonebraker

引力波和光在真空中以相同的恆定速度傳播。它們的傳播路徑可以彎曲或是偏轉，是因為它們的傳播速度有限。也就是說，波走過一段路徑，是需要花時間的，路徑越長，那麼需要的時間就越長。當一個星系或黑洞扭曲它周圍的空間時，引力波中更靠近這些物體的部分會比其餘部分通過更長的路徑，因此這一部分被我們感知到的時間也會比其餘部分更長。引力波會向這些物體的方向偏轉。當兩個黑洞合併並向我們發出引力波的時候，距離我們較近的星系可以像透鏡一樣對引力波進行成像。

引力合併的線性調頻很清晰。

來源:LIGO/Caltech/MIT/ University of Chicago

最近，一個研究小組研究了這種效應以及它將如何改變我們對引力波事件的認知。他們發現了一些有趣的事情。首先，穿過透鏡的引力波會使其源頭看起來比實際更近，就像穿過透鏡的光看起來更亮一樣。這引發了我們對已經觀測到的引力合併事件新的思考，因為天文學家們正是利用了引力合併的距離來測量宇宙的規模和膨脹。但好在研究小組還發現，穿過透鏡的合併事件的引力波的整體形狀與未穿過透鏡的合併事件的引力波的形狀會有明顯不同，因此原則上我們可以區分穿過透鏡和未穿過透鏡的引力波。通過觀察目前為止LIGO和VIRGO探測到的黑洞合併，研究小組發現它們都沒有受到引力透鏡的影響。

我們還需要一段時間才能真正研究穿過透鏡的引力波。雖然引力波顯然會受到引力透鏡效應的影響，但需要更靈敏的引力波天文臺才能觀測到細節。引力波天文學將為天文學家提供豐富及時的信息。

責任編輯：邱煜欣

牧夫新媒體編輯部

『天文溼刻』 牧夫出品

澳大利亞山頂上的銀河系

Image Credit t：Michael Goh

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