用引力波解开宇宙最深谜团

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20世纪80年代中期，伯纳德·史高斯提出了天文学中最古老问题之一的新解决方案——如何测量地球到宇宙中其他物体的距离。几代人以来，研究人员一直依赖物体的亮度作为测量其距离的粗略估计。然而，这种方法有无穷的复杂性。例如，附近的暗淡恒星可能“伪装”成遥远的明亮恒星。

英国卡迪夫大学的物理学家史高斯意识到引力波可以提供答案。如果探测器能够测量出遥远天体在时间和空间上相互作用所产生的波纹，科学家就能获得计算信号初始强度所需的所有信息，以及这些波纹到达地球所需的距离。因此，他预言引力波是宇宙膨胀速度的明显标志。

他的想法很好，但不现实:当时没有人能探测到引力波。然而，在去年8月，来自1.3亿年前两颗中子星合并的回声被地球上的引力波探测器捕获。史高斯终于有机会测试这个概念了。幸运的是，这一事件发生在一个相对较近的星系，产生了第一个比史高斯梦想的更清晰的测量结果。有了这个数据点，史高斯可以证明他的技术有望成为最可靠的测距方法之一。“很难相信。”史高斯说，“但它就在那里。”

更多类似的合并将有助于研究人员解决当前关于宇宙膨胀速度的争论。在几个设施的帮助下，例如美国的LIGO，意大利比萨斜塔附近处女座的处女座和日本的一个类似的探测器，研究人员将很快开始探索更多的合并事件。他们将从空间干涉仪、仍在设计阶段的地面干涉仪以及其他可能很快产生第一个引力波探测结果的方法中获得更多的见解。

循环线索

对于一个不到3年的研究领域来说，引力波天文学正以惊人的速度提供各种发现，甚至超过了最乐观的预期。除了去年8月发现的中子星合并，LIGO还记录了自2015年以来五对黑洞合并成更大的黑洞。这些发现是迄今为止最直接的证据，证明黑洞确实存在，并且具有广义相对论预言的性质。他们还第一次揭示了成对的黑洞正在相互环绕。

研究人员现在希望找出这些配对是如何产生的。当一颗大质量恒星耗尽其核心燃料而坍缩时，就会发生超新星爆炸，留下质量相当于几个太阳甚至几十个太阳的黑洞，每对黑洞中就会形成一个黑洞。

有两个主要的理论解释了相似的黑洞是如何相互环绕的:它们开始可能是相互环绕的巨星，但在每颗恒星变成超新星爆炸后，它们仍然相互环绕。或者，黑洞可能是独立形成的，但它们后来被频繁的与其他天体的引力相互作用驱动在一起——这可能发生在致密星团的中心。

无论如何，这些天体的能量以引力波的形式逐渐分散，引力波将天体拉成一个更紧、更快的螺旋，最终融合成一个质量更大的黑洞。伯明翰大学的LIGO理论家伊利亚·曼德尔说，如果LIGO和处女座想看到这样的一对融合，黑洞通常会在太阳和地球之间的距离不到1/4的地方开始围绕对方运行。曼德尔说:“如果我们从两个相距更远的黑洞开始，它们将需要比宇宙年龄更长的时间来融合。”

迄今为止发现的五个黑洞的合并不足以确定哪种形成场景占主导地位。然而，在去年8月对前三次探测的分析中，包括曼德尔、伯明翰大学理论天体物理学家和LIGO成员威尔·法尔在内的一个小组认为，只有另外10次观测才能提供有力的证据来支持其中的一个。

进一步的观察也可以提供关于黑洞形成和恒星演化的一些基本问题的见解。麻省理工学院的物理学家、LIGO大学的首席设计师雷纳·韦斯说，最终，黑洞探测将绘制出一幅宇宙地图，就像现在的星系研究所所做的那样。一旦这些数字堆积起来，“我们就可以开始通过黑洞了解整个宇宙，”他说，“我们可以在天体物理学的每个领域找到一些发现。”

期待更多细节

为了改善观察结果，LIGO和处女座都计划提高他们的敏感度，这不仅会揭示更多的事件，还会揭示每一次合并的更多细节。在世界范围内建立更多的观测站也至关重要。KAGRA，一个正在日本地下深处建造的探测器，将在2019年底开始收集数据。它的位置，特别是它对入射波的方位，将补充LIGO和处女座的观测，使研究人员能够确定引力波的偏振，从而编码关于轨道平面方向和螺旋运动天体旋转的信息。印度计划在未来10年内建造另一座天文台。该设施的一部分是由LIGO的备件制成的。

观察中子星的合并可能会导致更大的发现。到目前为止，研究人员只宣布了一个类似的发现，GW170817。几乎可以肯定的是，去年八月观测到的这一信号是天文学史上研究最多的事件。它同时解决了许多长期未解之谜，包括宇宙中黄金和其他重元素的起源，以及伽马射线爆发的一些原因。

进一步的观察也可以让科学家探索这些物体的内部。例如，中子星被认为是非常致密的天体，可能不会坍缩成黑洞，但不清楚它们有多致密。确定中子星的半径允许物理学家评估一些理论，因为它们预测不同的“状态方程”，即连接压力、温度和物质密度的方程。这个方程决定了物质被压缩的程度，从而理解了一定质量的中子星的宽度和类似恒星的大小。

未来的探索将提供更多细节。宾夕法尼亚大学帕克分校的LIGO理论物理学家萨提亚普拉卡斯说，欧洲团队梦想的下一代天文台——爱因斯坦望远镜，将让物理学家远远超过上限。"我们希望能够精确测量中子星的半径，达到100米的水平。"他说。如此精确令人震惊，因为这些天体离地球有数百万光年远。

“塞壬”的魅力呼唤

GW170817来自对引力波和光的观察。像这样的信号会对宇宙学产生巨大的影响。史高斯在1985年计算出螺旋天体的波频或螺距以及螺距的增加率可以揭示天体总质量的信息。这决定了引力波在其源头的强度。通过测量到达地球的波的强度(由干涉仪收集的信号的振幅)，人们可以估计引力波从源传播的距离。

在其他条件相同的情况下，例如，两倍距离的信号源将产生一半的信号强度。这种信号被称为标准警报声，这是对测量宇宙距离的一种常见方法的认可:被称为标准烛光的恒星具有众所周知的亮度，这使得研究人员能够计算出它们离地球的距离。

在英语中，“警报”和“塞壬”是同一个词，一个有着迷人歌声的女妖。如今，标准的警报声对科学家来说就像塞壬的歌声一样诱人。史高斯和他的同事们通过将地球到银河系的距离与银河系到地球的速度联系起来，对哈勃常数(宇宙当前的膨胀速率)进行了全新的独立评估。伊利诺伊州芝加哥大学的天文学家温迪·弗里德曼(Wendy Freedman)表示，去年10月16日，LIGO、处女座和其他70个天文团队发表的一批论文的结果“开启了宇宙学和天体物理学的新时代”。

作为对哈勃常数的直接和独立的测量，标准警报有助于解决宇宙学家之间的分歧。然而，通过使用空间干涉仪，如激光干涉空间天线(LISA)——欧空局计划在20世纪30年代发射的三个探测器项目，标准的警报声音可能成为一个更强有力的工具。韦斯说，在地面上，物理学家也开始了一些“新的冒险”。一个美国团队设想了一个“太空探索者”，它有一个40公里长的探测臂(是LIGO的10倍)，对来自更远地方的信号很敏感，可能能够探测到整个哈勃空间的信号。

今年晚些时候，随着LIGO和处女座的重新开放，韦斯愿望清单上的下一个重大发现来自坍塌恒星的信号，这也可能是天文学家观察到的超新星。他对其他可能的发现寄予厚望。“如果我们看不到任何有希望的东西，那么我会失望的。”韦斯说。(冯伟伟编著)

《中国科学报》(2018-05-24，第三版国际版)