为什么引力波是天文学的未来

我们仅在2015年探测到了我们的第一个引力波。在接下来的二十年里，我们将有数千更多的。

STARTS WITH A BANG — AUGUST 2, 2022

Ethan Siegel

该模拟显示来自一个双黑洞系统发出的辐射。虽然我们已经通过引力波探测到了许多对黑洞，但它们都被限制在约200太阳质量或以下以及由物质形成的黑洞。直到建立一个更长基线引力波探测器为止，超大质量黑洞仍然遥不可及，而脉冲星定时阵列能够拾起甚至更长波长和更异域的信号。(Credit: NASA’s Goddard Space Flight Center)

关键要点

虽然引力波是一个来自一路回到1915年爱因斯坦广义相对论提取的预测，但人类花了100年的时间来成功探测到它们。

今天，我们已经检测到合并的黑洞，合并的中子星，以及经由引力波与黑洞合并的中子星，但如此更多的还要来。

一整个系列新的探测将随着即将到来的技术能够的，为我们所有人预示一个新的天文学时代并扩大“天文学”实际跟着的定义。

100多年前，爱因斯坦提出了广义相对论的最终形式。旧的牛顿万有引力概念------其中两个大质量物体瞬间的彼此吸引，有一个正比于它们的质量并反比于它们之间距离的平方的力------与水星的轨道的观测和狭义相对论的理论的要求不一致：其中没有什么能比光速更快，甚至引力本身。

广义相对论取代了牛顿引力，通过将空时处理为一个四维结构其中所有物质和能量旅行过被光速限制的该织造。这种织造并不像一个笛卡尔网格那样只是扁平的，而是有它的被物质和能量的存在和运动决定的曲率：物质和能量告诉空时怎样来弯曲，弯曲的空时告诉物质和能量怎样来移动。每当一个含能量的天体移动通过弯曲的空间时，一个不可避免的后果是它会以引力波辐射的形式发射能量即引力波。它们在宇宙中无处不在，现在我们已经开始探测它们，它们即将打开天文学的未来。这里是怎样。

由两个黑洞的向内螺旋和合并发射的引力波的数值模拟。每个黑洞周围的彩色轮廓代表引力辐射的振幅，蓝线代表黑洞的轨道，绿色箭头代表它们的自旋。双黑洞合并的物理原理与绝对质量无关，但在很大程度上取决于合并黑洞的相对质量和自旋。(Credit: C. Henze/NASA Ames Research Center)

为了理解引力波天文学你需要知道的前两件事是引力波怎样被产生，以及它们怎样影响我们能在宇宙中观察到的量。每当一个含有能量的天体穿过一个空时曲率变化的区域时引力波被创造。这适用于：

环绕其他质量的质量

旋转或坍缩天体的快速变化

两个大质量天体的合并，

甚至是在热大爆炸之前和建立热大爆炸之前的膨胀纪元被创造的一组量子波动。

在所有这些情况下，在一个空间特定区域内的能量分布迅速的变化，这造成一种空间本身固有的辐射形式的产生：引力波。

空时织造中的这些涟漪在真空中以精确的光速传播，随引力波的波峰和波谷经过它们它们造成空间在相互垂直的方向上交替压缩和钝化。这种固有的四极辐射影响它们穿过的空间的属性，以及该空间内的所有天体和实体。

引力波在一个方向上传播，在相互垂直的方向上交替地膨胀和压缩空间，被引力波的偏振定义。在引力的量子理论中，引力波本身应该被引力场的单个量子组成：引力子。虽然它们可能均匀的分布在空间上，但振幅对探测器是关键量，而不是能量。(Credit: Markus Pössel/Einstein Online)

如果你想探测一个引力波，你需要一些方法对你正在搜索的波的振幅和频率是敏感的，你还需要有一些方法来检测它正在影响你正在测量的空间区域。当引力波穿过一个空间区域时：

它们以一个特定的方向而来，其中空间在两个相互垂直于它的传播方向上“压缩”和“钝化”，

它们以一个特定的振幅压缩和钝化，这告诉你为看它们你需要对像“距离”或“光旅行时间”等东西的变化有多敏感，

并且它们在一个特定频率下振荡， 其中该频率仅被产生感兴趣引力波的来源以及宇宙已经延伸的引力波随它们已经传播过宇宙的膨胀量决定。

已经提出了许多检测方案，包括对一个通过的引力波的振荡运动会是敏感的振动条，对通过脉冲的相对于我们的视距的引力波振荡变化是敏感的脉冲星定时，以及跨不同方向的反射激光臂，其中多个路径长度之间的相对变化将揭示一个引力波随它通过的证据。

当两个臂的长度完全相等并且没有引力波通过时，信号为零且干涉模式是恒定的。随着臂长的变化，信号是真实的和振荡的，干涉模式以可预测的方式随时间变化。(Credit: NASA’s The Space Place)

其中最后一种恰恰是到目前为止我们已经成功探测引力波的第一种唯一的方法。我们第一次这样的探测在2015年9月14日来到，代表了两个分别为36个和29个太阳质量的黑洞的向内螺旋和合并。随它们一起合并，它们形成了一个只有62个太阳质量的最终黑洞，“缺失的”三个太阳质量经由E = mc²以引力波的形式被转化为纯能量。

随这些波穿过地球，它们交替地通过小于一片草叶的宽度压缩和钝化我们的星球：这是一个微不足道的量。然而，我们有两个引力波探测器 –激光干涉仪引力波天文台汉福德（LIGO Hanford）和激光干涉仪引力波天文台利文斯顿（LIGO Livingston）探测器 ------每个探测器都由两个垂直的长4公里的激光臂组成，反射的激光在光束被带回一起重组之前来回超过一千次。

通过观察由组合激光创造的干涉图案的周期性变化，这些干涉图案本身是由激光穿过的空间的引力波创造的，科学家们能够重建通过的引力波的振幅和频率。第一次，我们在空时中已经捕捉到了这些现在臭名昭著的涟漪。

GW150914是从来第一次直接探测和证明引力波的存在。激光干涉仪引力波天文台汉福德和利文斯顿探测到的波形与广义相对论对引力波的预测相匹配，引力波从向内螺旋和一对大约36个和29个太阳质量的黑洞的合并发放以及随后源自单个黑洞的“铃声弱下来”。(Credit: Aurore Simonnet/LIGO Scientific Collaboration)

从那时起，双激光干涉仪引力波天文台探测器被另外两个地面激光干涉仪引力波探测器加入：欧洲的处女座（Virgo）探测器和日本的KAGRA探测器。到2022年底，所有四种探测器将结合来产生一个前所未有的引力波探测器阵列，允许它们比之前对源自跨天空更多位置的低振幅引力是波敏的。本十年晚些时候，他们将被第五个探测器印度激光干涉仪引力波天文台探测器（LIGO India）加入，这将甚至进一步提高它们的灵敏度。

你必须意识到每个穿过地球的引力波都以一个特定的方向而来，只有造成单个探测器的两个垂直激光臂实在的变化能导致一个检测。双激光干涉仪引力波天文台汉福德（LIGO Hanford）和激光干涉仪引力波天文台利文斯顿（LIGO Livingston）探测器被特别的针对冗余定向：其中探测器的角度相对于彼此的位置被地球的曲率精确补偿。这种选择确保出现在一个探测器中的引力波将也出现在另一个探测器中，但这样做的代价是对一个探测器不敏感的引力波也会对另一个探测器不敏感。为了获得更好的覆盖，更多有不同方向的探测器------包括对激光干涉仪引力波天文台汉福德（LIGO Hanford）和激光干涉仪引力波天文台利文斯顿（LIGO Livingston）探测器会错过的方向敏感的探测器------对于赢得神奇宝贝式的“全部抓住它们”的游戏是必要的。

截至2021年11月，通过电磁波和引力波观测到的所有黑洞和中子星的最新图。虽然这些包括从对于最轻的中子星略高于1个太阳质量的天体到对于合并后的黑洞略高于100个太阳质量的天体，，引力波天文学目前只对一组非常狭窄的天体敏感。(Credit: LIGO-Virgo-KAGRA / Aaron Geller / Northwestern)

但甚至有多达五个探测器，它们之间有四个独立的方向，我们的引力波能力仍然以两个重要方式被限制：在振幅和频率方面。现在，在这个球场中我们总共有大约100个引力波事件，但所有这些事件都来自质量相对较低、紧凑的天体（黑洞和中子星），这些天体已经在向内螺旋和合并的最后阶段被捕获。此外，它们都相对较近，黑洞合并延伸到几十亿光年，中子星合并可能达到几百万光年。到目前为止，我们只对大约100个太阳质量或以下的黑洞敏感。

再一次，原因很简单：引力场强度你越接近一个大质量天体增加，但你能得到一个最近的黑洞被它的事件地平线的大小决定，这主要取决于一个黑洞的质量。黑洞的质量越大，它的事件地平线就越大，这意味着对任何天体在仍静止在事件地平线之外的同时完成一圈轨道要用更大的时间量。这是质量最低的黑洞（以及所有的中子星）允许环绕它们的最短轨道周期，即使有数千次反射，一个只有3-4公里长的激光臂对更长的时间周期是不敏感的。

引力波跨越了各种各样的波长和频率，需要一组截然不同的天文台来探测它们。天文2020（Astro2020）十年会议提供一个计划来支持这些制度中的每一个制度中的科学，以前所未有的方式进一步我们的宇宙的知识。到20世纪30年代末，我们能期待一支对许多不同类别的引力波很敏感的由各种引力波天文台组成的舰队。(Credit: National Academies/Astro2020 decadal survey)

这就是为什么如果我们要探测由任何其他来源发出的引力波，包括：

质量更大的黑洞，比如在星系中心发现的超大质量黑洞，

不那么紧凑的天体，比如环绕的白矮星，

引力波的一个随机背景被所有超大质量黑洞双它的波恒定的经过我们产生的所有涟漪的累积总和造成，

或者引力波的“其他”背景： 宇宙膨胀遗留下来的那些，今天在大爆炸后138亿年仍然在整个宇宙中持续存在，

我们需要一套新的、根本不同的引力波探测器。我们今天拥有的地面探测器，尽管它们在它们的适用性领域多出色的，但在幅度和频率上被两个因素限制，这两个因素不能被容易改进。首先是激光臂的尺寸：如果我们想提高我们的灵敏度或我们能覆盖的频率范围，我们需要更长的激光臂。凭借约4公里的臂，我们已经看到关于我们能看到的最高的质量黑洞。如果我们想要么在更远的距离探测更高的质量要么相同的质量，我们将需要一个有更长激光臂的新探测器。我们也许能够建造大约10倍于当前极限的激光臂，但这是我们从来能做的最好的事情，因为第二个极限是由地球本身设定的：它沿着构造板块弯曲存在的事实。从本质上讲，我们不能在地球上建造超过一定长度或一定灵敏度的激光臂。

用空间中有三个被激光臂连接的等间距隔开的探测器，周期性变化它们的分离距离能揭示适当波长的引力波的通过。激光干涉仪空间天线（LISA）将成为人类第一个能够从超大质量黑洞和落入其中的物体探测空时涟漪的探测器。如果这些天体被发现在第一批恒星形成之前就存在，那将是一个原始黑洞存在的“冒烟的枪”。(Credit: NASA/JPL-Caltech/NASAEA/ESA/CXC/STScl/GSFCSVS/S.Barke (CC BY 4.0))

但这没关系，因为我们应该在2030年代开始采取中有另一种方法：在太空中创建一个基于激光的干涉仪。不是被要么我们既随地球的地壳在地幔上移动不能被避免的基本地震噪声限制或被我们在给定地球曲率建造一个完美直管能力限制，而是我们能创造基线数十万甚至数百万公里长的激光臂。这就是激光干涉仪太空天线（LISA）背后的想法：激光干涉仪太空天线计划于2030年代被发射。

有激光干涉仪太空天线，我们应该能够在比以往更低的频率（即更长的引力波波长）下取得原始灵敏度。我们应该能够探测在数千到数百万个太阳质量范围内的黑洞，以及高度不匹配的黑洞质量合并。此外，我们应该能够看到类似激光干涉仪引力波天文台的探测器将对除非在更早的阶段是敏感的来源，给定我们几个月甚至几年通知来为一个合并事件做准备。有足够多的这种探测器，我们应该能够精确地指定这些合并事件发生的地方，使我们能够在关键时刻将我们的其他设备------粒子探测器和电磁上敏感的望远镜------指向正确的位置。以许多方式激光干涉仪太空天线将是我们目前叫多信使天文学的最终胜利：我们能观察光引力波和/或来自同一天体物理事件的粒子。

这幅插图显示地球本身怎样被嵌入空时内，看来自各种脉冲星的到达信号被传播过整个宇宙的宇宙引力波的背景延迟和扭曲。这些波的综合效应改变每个和每颗脉冲星的时间，这些脉冲星的一个长时间尺度、足够灵敏监测能揭示这些引力信号。(Credit: Tonia Klein/NANOGrav)

但对被以下产生的波长更长的事件：

十亿个太阳质量的黑洞彼此环绕，

宇宙中所有超大质量黑洞双的总和，

和/或由宇宙膨胀印记的引力波背景

我们需要甚至更长的基线来探测。幸运的是，宇宙为我们提供了一种自然的来做它的方式，简单的观察在那里的东西：以毫秒脉冲星形式的精确的、准确的、自然的时钟。这些自然时钟遍布我们整个银河系，包括数千光年和数万光年之外，它们发出精确计时的脉冲，每秒数百次，并且在几年甚至几十年的时间尺度上是稳定的。

通过精确测量这些脉冲星的脉冲周期，并将它们一起缝合成一个连续监测的网络，跨脉冲星看到的组合时序变化能揭示这些信号，而这些信号目前没有被人类制造的探测器可以发现。我们知道在那里应该是很多超大质量黑洞双，最大质量的这种对甚至可以被单独的探测和指定。我们有很多膨胀引力波背景应该存在的环境证据，我们甚至能预测它的引力波光谱看起来应该是什么样子的，但我们确实不知道它的振幅。如果我们在我们的宇宙中很幸运，从某种意义上说这种一个背景的振幅是高于潜的可探测的阈值的，脉冲星时间可能是解锁这个宇宙密码的罗塞塔石碑。

在两个合并黑洞附近翘曲的空时的一个数学模拟。彩色波带是引力波波峰和波谷，随着波幅的增加颜色变得更亮。携带最大能量的最强波出现在合并事件本身之前和期间。从向内螺旋的中子星到超大质量黑洞，我们应该期望宇宙产生的信号应该跨超过9个数量级的频率。(Credit: SXS Collaboration)

虽然我们早在2015年就牢牢地进入了引力波天文学时代，但这是一门仍处于起步阶段的科学：就像光学天文学回到1600年代的后伽利略时代一样。就在现在我们只有一种工具可以成功的探测到引力波，只能在一个非常窄的频率范围内探测它们，只能探测产生最大幅度信号的最接近的引力波。然而，随着支撑引力波天文学的科学和技术继续进步到：

更长基线的地面探测器,

空间基干涉仪

和日益灵敏的脉冲星定时阵列，

我们将揭示越来越多的宇宙，因为我们以前已经从未见过它。结合宇宙射线和中微子探测器，加上来自跨电磁波谱的传统天文学，在我们取得我们的第一个三重奏之前只是时间问题：一个天体物理事件其中我们观察都来自同一事件的光、引力波和粒子。它可能是某些意想不到的东西，比如一颗附近的超新星提交它，但它也可能来自数十亿光年外的一个超大质量黑洞合并。然而，有一件事是肯定的，那就是无论天文学的未来看起来是什么样子，它肯定需要包括一个健康的和有力的在引力波天文学这个新的、肥沃的领域投资！

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