LIGO正在尋找這8個引力波源

2020-12-04 騰訊網

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翻譯：汪榮鑫

校譯：陳豔玲 華子乾 陸寅楓 田程偲

編排：胡暖暖

https://www.sciencenews.org/article/ligo-virgo-searching-sources-gravitational-waves

「

天文學家仍然希望能夠捕獲超新星和表面粗糙的中子星的引力波

」

使用LIGO和Virgo天文臺的物理學家正在捕捉各種宇宙碰撞，包括成對的中子星（圖示）。但是科學家們希望能夠找到更多樣的引力波來源。

NASA』S GODDARD SPACE FLIGHT CENTER/CI LAB

引力波探測器正在參加一場宇宙級的尋寶活動。

自從2015年升級後的LIGO開啟以來，物理學家們已經從幾種奇異的引力來源中捕獲了這些時空漣漪——但科學家們仍然想要更多樣的引力波來源。

本周，LIGO及其合作夥伴天文臺Virgo在一個月內宣布了五次可能的新引力波探測信號，這使得曾經需要數十年努力的目標現在幾乎變得司空見慣。

「引力波天文學方興未艾，」威斯康星大學密爾沃基分校的LIGO發言人Patrick Brady在5月2日的新聞發布會上說：「就像打開一個關於宇宙的新窗口，引力波有望為我們提供一個全新的視角觀察宇宙。」

引力波信號的特徵使天文學家能夠弄清楚它的來源。以下是科學家已經確認的，以及他們希望找到的8個引力波來源。

1.黑洞合併

狀態：已發現

LIGO第一個捕獲的信號來自一對碰撞的黑洞，每個黑洞的質量大約是太陽質量的30倍。該實驗在2015年9月14日，正式開始使用新升級的LIGO進行觀測的前四天檢測到合併黑洞的引力波。

第一個發現證明，大型的移動物體實際上確實可以震蕩時空來產生引力波，正如愛因斯坦在一個世紀前所預測的那樣。不僅如此，這一發現證明了地球上的實驗可以探測到這些波，而愛因斯坦則對此持懷疑態度。LIGO的三位創始人在2017年獲得了諾貝爾物理學獎。

總的來說，LIGO和Virgo已經從10對確認的碰撞黑洞中檢測到了引力波，另外還有3個候選目標在上個月被記錄。

2.中子星合併

狀態：已發現

據認為，一對合併的中子星，即在超新星中死亡的大質量恆星的緻密屍體，也可能引發引力波。然後，在2017年8月，LIGO-Virgo團隊抓住了第一個這樣的事件的實例，並在今年4月25日發現了第二個事件。

各電磁波段望遠鏡的後續觀察揭示了第一次中子星碰撞的隱藏細節，例如這樣的碰撞會產生貴金屬元素，如金，銀和鉑金。

3.中子星與黑洞合併

狀態：可能已發現

另一種可以在時空中產生漣漪的合併類似於巧克力香草冰淇淋：一個黑洞和一個中子星合併成一個物體。LIGO在4月26日看到了這種合併的可能標誌，但信號太弱，科學家無法確定。

如果團隊確認該信號確實代表了一個黑洞和中子星漩渦，那將證明這兩種物體可以共同生存。在合併之前，黑洞和中子星必須在一個緊密的二元系統中相互繞軌道運行。

伊利諾州埃文斯頓西北大學的LIGO團隊成員Christopher Berry說：「如果這一現象不存在，我們會感到驚訝，但我們確實還沒有發現過這一現象。」

研究這樣一個系統可以幫助我們了解構成中子星的神秘物質核麵團[註：核麵團只存在與中子星內部，由於高密度環境將物質擠壓成像義大利麵一樣的狀態，這種狀態可能限制了中子星的最高自轉速度。]。「中子星有點像巨大的原子核，它與我們在地球上創造的東西完全不同，」貝瑞說。在2017年發現的中子星合併給出了中子星組成的一些細節，包括它們的最大質量和被壓扁的程度。黑洞-中子星合併可以顯示中子星如何在黑洞的極端重力附近變形，這是關於核麵團的另一個難題。

來自LIGO和Virgo實驗的科學家們可能已經從一個全新的來源發現了時空漣漪：一顆融合著黑洞的中子星（圖為計算機模擬圖像）。

F. FOUCART/UNH AND SXS COLLABORATION/CLASSICAL AND QUANTUM GRAVITY 2017

4.中等質量黑洞碰撞

狀態：尚未發現

到目前為止，LIGO和Virgo檢測到的所有黑洞都是恆星質量，這意味著它們的重量通常不到太陽質量的100倍。物理學家也知道存在重量是太陽質量的數百萬或數十億倍的超大質量黑洞。但目前尚不清楚是否存在中等質量的黑洞。

義大利特蘭託大學的Virgo團隊成員Giovanni Andrea Prodi在5月2日的新聞發布會上說，這種中等質量的黑洞「可能是恆星質量黑洞與星系中心超大質量黑洞之間的過渡」。

以前的研究已經發現了這種中量級黑洞的線索，但是用引力波探測到的碰撞將是更明確的證明。如果它們不存在，「那真的很有趣，」貝瑞說，因為這意味著超大質量黑洞必須比物理學家能解釋的更大。

5.表面粗糙的中子星

狀態：尚未發現

另一種探索中子星神秘核麵團秘密的方法是在其表面探測微型「山脈」。所有加速的大質量物體都會產生引力波，但大多數都太微弱而無法探測到。物理學家認為，一顆略有缺陷，例如一個高達一毫米的凸起的孤立中子星，會在旋轉時發出可探測到的引力波。這樣的波可以幫助說明中子星材料的被壓扁的程度，以便支撐凸起。

與大多數其他來源不同，表面粗糙的中子星將產生連續的引力波，被LIGO視為恆定的「嗡嗡聲」。

6.超新星爆炸

狀態：尚未發現

LIGO和Virgo也可以從超新星爆炸中獲取引力波，超新星發射出許多類型的光和粒子，包括稱為中微子的幽靈亞原子粒子，它們出生在爆炸的中心深處。

天文學家在1987年看到附近的一顆超新星，當時一顆恆星在附近的大麥哲倫雲中爆炸（如圖所示，來自NASA’s Kuiper Airborne Observatory）。有朝一日，科學家們可以利用引力波天文臺觀測並了解超新星爆炸。

NASA』S AMES RESEARCH CENTER

7.大爆炸引發的波浪

狀態：尚未發現

物理學家們預計應存在來自宇宙各處的許多小引力波一直撞擊地球。這些小引力波構成了引力波的隨機背景，就像在擁擠的房間裡混雜的聲音。

物理學家認為至少有一些聲音來自宇宙大爆炸。探測大爆炸本身產生的遺留的引力波意味著要比以往任何時候都更深入地了解宇宙的歷史。但是，很難把這些這種信號從噪音中梳理出來。

Berry說：「我們現在還沒有足夠靈敏的儀器，如果有，我們就能分辨每一個獨立的聲音。」

8.新來源？

狀態：尚未發現

探測器仍有可能從科學家無法識別的來源捕獲引力波。每當研究人員以新的方式觀察宇宙時，他們就會發現一些他們沒有預測到的東西。「現在我們正在研究引力波，一種完全不同的輻射，」Berry說：「認為我們知道一切可有點傲慢。」

在短短一個月內，科學家們已經發現了5個可能的引力波事件，這裡繪製的是它們與地球近似距離。與之前所有觀測結果中的11個事件相比較。大多數事件來自黑洞合併（黑色），但中子星合併（紅色）也在其中。一個事件（黃色）可能是黑洞和中子星之間的合併。

E. OTWELL, T. TIBBITTS

責任編輯：陳豔玲

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