年轻科学家喜搭引力波“便车”

天文学家曼西·卡斯利瓦尔希望利用引力波信号来研究碰撞的中子星。资料来源:兰斯·林田/加州理工学院

首次直接探测引力波为物理学和天文学打开了一扇新的窗户，一群年轻的研究人员赌上了这一长期困扰物理学家的现象的存在与否，最终得到了回报。

建设LIGO的想法是在20世纪70年代提出的，并在20世纪90年代完成。几十年来，LIGO一直在产生有希望的结果。最终，它没有辜负人们的期望——今年2月11日，该项目的科学家们表示，他们已经发现了被称为引力波的时空波动信号。

今天，LIGO的观察将改变人们对超重力环境事件的看法，如碰撞黑洞、恒星爆炸和宇宙的早期。

“对我来说，最大的变化是我们真的有数据，最终可以检验我们的理论。”荷兰奈梅亨大学的天体物理学家Samaya Nissanke说。

尼森克是许多进入引力物理学领域的年轻科学家之一，他们希望使用来自LIGO和类似探测器的数据。“你可以用一种独特的方式探索极端的重力和极端的时空，这种方式能真正容纳你的想象力。”尼森克说，“我被它迷住了。”

LIGO的第一阶段实验已经进行了很多年，但是没有发现引力波。然而，在去年9月的一次重要升级之后，只花了几天就找到了信号。这增强了人们的信念，即它将在未来捕获许多引力波，物理学家希望每一项发现都能带来新的见解。

“这一切发生得非常快，这一事实确实给了我们极大的信心。”负责LIGO数据分析的佐治亚理工学院物理学家劳拉·卡多纳蒂说。然而，15年前这个领域看起来并不那么好。当时，西北大学天体物理学家维姬·卡洛吉拉(Vicky Kalogera)正在计算天体物理研究对象的合并频率，如黑洞和中子星(爆炸恒星的超致密残留物)。这种撞击被认为是LIGO想要探测的大多数引力波的来源。

卡洛吉拉领导了一些早期的计算，以找出两颗中子星可能会碰撞多久，并且距离地球足够近，让LIGO能够探测到随后的引力波。不同团队的估计差异很大，包括一些悲观的假设，即LIGO很难捕捉到任何引力波。卡洛吉拉面临一个艰难的决定:是继续引力波天体物理学研究，还是转向更有可能获得实际数据的研究课题。

"当每个人都告诉我这是错误的职业选择时，我勇敢地坚持了下来。"她说，“现在，这个领域已经真正进入了探索的时代。”

然而，令人惊讶的是，LIGO第一次直接探测到的引力波不是来自双星的中子星系统，而是来自两个大黑洞。前者被认为是相对常见的，仅在银河系就有六颗已知的中子星。

然而，许多物理学家仍然希望LIGO和类似的探测器能很快从合并的中子星捕获引力波。普通天文望远镜无法探测到这些密度极高的恒星，因为后者无法探索隐藏在其异常明亮的表面下的东西。研究人员必须依靠模型来推断它们内部发生了什么。

引力波改变了这一点，并能提供诸如中子星的精确大小以及中子为何如此密集的信息。这些答案将来自细节，比如中子星在最终合并前的最后一刻是如何相互盘旋的。

“这种可能性是存在的，也就是说，以一种我们以前忽略的方式来理解宇宙中密度最大的稳定物质。”富尔顿加州州立大学的物理学家乔斯林·里德说。

当中子星合并时，它们被认为会熔化轻的化学元素，形成较重的化学元素，然后被喷射到周围环境中。加州理工学院的天体物理学家曼西·卡斯利瓦尔说，这种碰撞是宇宙中许多重金属的来源，包括已经发现的大部分黄金。

"事实上，我们还没有看到足以合成这些元素的爆炸."卡斯利瓦尔说。然而，当LIGO探测到引力波时，天文学家将能够指引他们的望远镜扫描释放引力波的天空。如果幸运的话，他们会捕捉到天空中这些金矿的闪光。

在加利福尼亚的帕洛玛天文台，卡斯里瓦尔用1.2米望远镜上的广域照相机进行搜索。明年，这项工作将升级为使用一个更大的摄像机，它能以12倍的速度探测天空。与此同时，智利一项类似的调查预计将于明年开始，该调查将为追踪引力波和探测南北半球吸引人的踪迹提供特殊的望远镜。

天文学家希望最终拼凑出一幅更完整的图像，从而将引力波与传统天文学融合在一起。德克萨斯理工大学的天体物理学家亚历山德拉·科西说，这就像看电影一样——图像(电磁波)和声音(引力波)的结合提供了比其他任何东西都更完整的画面。(宗华)

《中国科学报》(2016-02-24，第三版国际版)

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