距離引力波首次發現四周年了，引力波「革命」正在進行中

2020-10-18 木法沙和三傻

隨著首次發現引力波四周年紀念日剛剛過去，該領域繼續走向成熟，前景光明。

回想四年前，引力波成為全民熱議的話題。2015年9月14日，LIGO-Virgo合作組織首次發現了時空漣漪，其後的幾個月這一發現在全球引起轟動。這一發現的四周年紀念日剛剛過去，在首次發現後的幾十次後續的探測以及更令人興奮的發現，這一領域已經日趨成熟。

麻省理工學院的Nergis Mavalvala說，這個領域「已經爆炸了」。「我真的對我們所取得的成績感到驚訝。無論是在天體物理學方面，還是儀器的巨大改進，都令人振奮。」

迄今為止，總共有23次引力波探測得到證實。其中，有20個是黑洞合併，兩個是中子星合併，還有一個被懷疑是黑洞和中子星合併的第一個已知案例。每一個探測發現本身都令人興奮不已，而由於2018年和2019年對LIGO進行了升級，提高了靈敏度，探測器的探測量從每月一個提升到幾乎每周一個，這令人印象深刻。據估計，到2023年，引力波天文臺每小時都能觀測到一次合併。俄勒岡大學的本·法爾說:「引力波天文學的爆發性進步怎麼說都不為過。」

由於這種爆炸性的增長，天體物理學的多個分支學科都取得了顯著的進展。芝加哥大學的Daniel Holz說，由於快速增長的大量的觀測事件，讓黑洞合併的研究現在看起來幾乎有些「無聊」，儘管如此，它也正在發生變化。他表示，我們正非常迅速地進入統計領域，不是在分析一個，而是在分析一大堆。現在科學家會看看分布方法，有多少是大的，有多少是小的。即使它們繼續是『無聊的』，無聊事件的分布也是令人著迷的。

與此同時，LIGO和Virgo觀測到的第一顆中子星合併，幫助研究人員探索了宇宙本身的一些基本面。美國西北大學的克里斯多福·貝瑞(Christopher Berry)指出，來自該事件的伽馬射線是在引力波出現1.6秒後被其他望遠鏡探測到的，這使得對重力與光速的測試達到了前所未有的水平。他說:「我們預計它們到達的時間會有一些不同，因為它們不一定是同時被創造出來的。但1.6秒的時間讓我們得以驗證光速和重力速度確實是一樣的，就像廣義相對論預測的那樣。」

科學家們探索相對論的另一種方法是觀察被一個巨大物體「引力透鏡化」的引力波。就像光穿過星系和其他大質量物體的引力場時可以被彎曲和放大一樣，引力波也應該以同樣的方式被扭曲。上個月，天文學家們為可能探測到這樣一個事件而興奮不已，當時兩個看起來相似的引力波信號僅以21分鐘的間隔橫掃地球——這暗示著這些波可能來自同一個源，並且被透鏡化了。但不幸的是，進一步的研究表明，這兩個緊挨著到達地球的信號來自天空中兩個不同的方向，但天文學家仍然對未來發現這樣的事件抱有希望，儘管這可能並不容易。加州大學歐文分校的研究員Asantha Cooray說:「偶然發現的可能性非常小，你必須進行數百次這樣的觀察才可能發現一個。」

透鏡現象並不是天文學家預期的唯一未來發現。其中最吸引人的是可能探測到超新星爆炸引起的引力波。然而，這樣的事件很可能需要在我們的星系中發生，才能讓LIGO和Virgo探測到它。霍爾茲說：「這種情況大約一個世紀才會發生一次。據我們所知，在過去四年裡還沒有發生這樣的事情。所以我們仍然需要等待。總有一天它會發生的。」

想像更大膽的科學家還認為，有一天可能會看到原始引力波，它是大爆炸後的最初幾分之一秒遺留下來的。這樣的波將使研究人員能夠比以往任何時候都更深入地回顧宇宙的誕生。最早到達地球的光是在宇宙40萬年的時候發出的，而引力波自宇宙大爆炸後的最初時刻就開始向我們傳播。但這些波的特徵應該非常微弱，只有所謂的第三代引力波探測器才能探測到它們，比如美國計劃中的宇宙探測器或歐洲的愛因斯坦望遠鏡。

當然，引力波的泛濫也揭示了意想不到的新秘密。其中一個例子是參與這些合併的黑洞的未知起源，它們被稱為恆星質量黑洞，因為它們的質量是我們太陽質量的幾倍。Mavalvala說:「你可能會天真地認為，這類黑洞是普通恆星變成超新星的殘留物。但我們知道，普通恆星無法長到太陽質量的幾十倍。因此，這種形成場景無法成立。另一種可能性是，它們是小黑洞合併的結果，但這需要宇宙中小黑洞數量大到無法估量的程度，才能解釋所看到的合併數量。」目前，真正的答案仍然難以捉摸。

四年過去了，引力波天文學的發展絲毫沒有放緩的跡象。貝瑞說：「我認為這是一場革命，我們真的打開了眼界，看到了外面的世界，那是看不見的，我們只能通過引力波揭示出來。隨著探測數據越來越多，未來還會有更多的發現。」

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