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引力波是愛因斯坦預言的在空間結構中不可見的漣漪。它開啟了天文學的一個全新的時代，讓科學家們能夠看到宇宙中曾經被認為不可見的部分，比如黑洞，暗物質以及被稱為軸子的一些理論上的亞原子粒子。
在愛因斯坦預言引力波存在作為廣義相對論的一部分之後幾乎100年，引力波第一次在2015年被在雷射幹涉引力波觀測站工作的科學家們（Laser Interferometer Gravitational Waves Observatory , LIGO）探測到，並且讓他們獲得了諾貝爾物理學獎。
圖解:當兩個天體，比如黑洞和中子星合併時，它們導致引力波的頻率上升，就像漣漪一樣。圖片來自-LSE/Alex Nitz
這個巨大的裝置檢測到的微小的擾動產生於距地球13億光年的兩個黑洞的合併。當這兩個質量巨大的天體碰撞時，它們扭曲了時間和空間。
「這種扭曲像湖面上的水波一樣傳播」，義大利羅馬大學的理論物理學家，保羅·帕尼教授解釋道，「這就是引力波」。
所有有質量的物體都會在時空結構中產生它們自己的微小的凹陷，即產生所謂的引力。但是，只有最重的天體參與的激變事件，比如黑洞和中子星，才可以產生足夠大到在地球上可以探測到的引力波。它們以光速在宇宙中輻射出去，穿過幾乎所有它途經的天體。
但是探測這些波動的能力也給天文學家提供了一個研究宇宙的新方法。帕尼教授正領導DarkGRA 項目，試圖利用引力波去探測宇宙中的一些最大的謎題，包括大質量奇異星，暗物質和黑洞本身。
先前的天體物理學家不得不通過研究黑洞周圍物質的行為來推測黑洞的存在。黑洞被認為是坍縮恆星的超大質量遺蹟。它們產生的引力強到甚至連光也無法逃逸。經過黑洞邊界（也就是視界）的任何物體都會看上去永遠停留在那裡。
「這就是我們看不到黑洞的原因」，帕尼教授說，「我們看不到它們那裡的光線。黑洞仍然是一個大謎團」。
然而，引力波讓像帕尼教授一樣的科學家可以直接看到這些黑洞成為可能。「它們是黑洞周圍的信使，不需要任何傳播媒介」，他說。
通過研究這些波動的特徵，獲得關於這些之前不可見物體的質量，轉動，半徑和速度的信息是可能的。「我們的項目的目的是理解極緻密天體的引力波觀測，所以我們可以排除或認證其他類型的天體」，帕尼教授說。
「暗物質幾乎不與其他任何事物相互作用，所以在實驗室中是非常難以探測的。」——保羅·帕尼教授，羅馬大學，義大利
根據廣義相對論，兩個極緻密天體的合併——比如白矮星，中子星或黑洞——會導致最後的生成物坍縮形成一個黑洞。但是，有理論預測它們也會形成與黑洞具有相似質量和半徑的天體，但是不存在視界。因此，這些神秘的緻密天體擁有一個可以反射引力波的表面。
「如果在這些天體的合併之後存在一個表面，那將會產生引力波回音，也就是一個從表面反射的信號」，帕尼教授解釋道。從在地球捕捉到的信號裡探測到這些回聲是可能的。
暗物質
然而，還存在另外一種說法可以用來解釋導致黑洞莫名產生或者其他尚未說明的引力波特徵——黑洞沐浴在暗物質中。暗物質是一種尚未被觀測到的物質形式，但是它被認為佔據了宇宙所有物質的85%。這樣也可以產生一個獨特的能夠說明問題的引力波。
「暗物質幾乎不與其他任何物質發生相互作用，所以在實驗室中非常難探測」，帕尼教授說。但是通過在引力波中尋找獨特的信號可以讓科學家們第一次看到它。
一些關於引力的觀測僅能被我們看不見的暗物質的存在或是通過改變我們的引力定律解釋。英國劍橋大學的烏爾裡希·斯比爾海克教授，同時也是StronGrHEP項目的首席科學家，將引力波描述成一個「宇宙的新窗戶」。引力波可以幫助我們解開這些謎題。
如果當兩個黑洞在合併時周圍全是暗物質，，暗物質會吸收能量。這將意味著在類似LIGO探測到的黑洞碰撞過程中，引力波將會與沒有暗物質時看起來不一樣。
暗物質可以解釋的一個觀測問題是為什麼星系比它們的大小所表明的轉得快。「轉動速度和星系中的質量有關」，斯比爾海克教授說。所以如果一個星系轉得比我們可見的質量快，那就有兩種解釋——我們要麼需要改變我們關於引力如何作用的基本理論，要麼在星系中存在我們不可見的暗物質。
斯比爾海克教授正在研究的觀點是用一個叫做標量張量引力的新理論來拓展愛因斯坦的廣義相對論。這個觀點表明宇宙充滿了一種尚未被探測的額外的場——類似於磁場或電場。
這意味著一個瀕死恆星的超新星爆發將不僅被作為引力波觀測到。在引力波之後，我們可以探測到一種餘暉。我們可以將LIGO指向恆星爆發的天區——嘗試探測可能會在實際爆炸之後持續幾個世紀來自標量場的餘暉。
此外，斯比爾海克教授正研究是否暗物質可以被叫作軸子的理論上的亞原子粒子解釋。他正嘗試建立當這些粒子存在時來自黑洞的引力波回聲的構型的模型。
「我可以說軸子是暗物質的最佳候選者之一」，他說。下一步就是將他的模型應用到LIGO收集的數據去看看理論和觀測是否相匹配。
美麗的理論
理察·布裡託博士在參與了帕尼教授在義大利的小組，作為他自己項目FunGraW的一部分，去利用引力波來檢驗軸子粒子的存在。但是他也將利用它們檢驗愛因斯坦理論本身以及是否愛因斯坦理論在大尺度上是不正確的。
「如果我們看到了與黑洞一樣緻密的天體但沒有一個視界面，那這就意味著在那些尺度上廣義相對論是錯誤的」，他說。
這可能有一個重要的涉及日常生活的含義。例如，廣義相對論理論對GPS的日常運作非常重要。但是發現愛因斯坦理論在大尺度上不成立並不意味著它應當被拋棄。相反，我們需要一個修正。
「你可能在很難達到愛因斯坦理論的數學清晰度」，斯比爾海克教授說。「它不僅僅因為作出了精彩的語言而顯得驚人，還有著成為一個美麗理論的吸引力。並且，有趣的是，物理學家將美感看作一個理論中的重要成分。」
參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學名詞
3.Anthony King-horizon-林令瑞
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