隨著首次發(fā)現(xiàn)引力波四周年紀(jì)念日剛剛過去，該領(lǐng)域繼續(xù)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(fā)現(xiàn)了時(shí)空漣漪，其后的幾個(gè)月這一發(fā)現(xiàn)在全球引起轟動(dòng)。這一發(fā)現(xiàn)的四周年紀(jì)念日剛剛過去，在首次發(fā)現(xiàn)后的幾十次后續(xù)的探測以及更令人興奮的發(fā)現(xiàn)，這一領(lǐng)域已經(jīng)日趨成熟。
麻省理工學(xué)院的Nergis Mavalvala說，這個(gè)領(lǐng)域“已經(jīng)爆炸了”。“我真的對(duì)我們所取得的成績感到驚訝。無論是在天體物理學(xué)方面，還是儀器的巨大改進(jìn)，都令人振奮。”
迄今為止，總共有23次引力波探測得到證實(shí)。其中，有20個(gè)是黑洞合并，兩個(gè)是中子星合并，還有一個(gè)被懷疑是黑洞和中子星合并的第一個(gè)已知案例。每一個(gè)探測發(fā)現(xiàn)本身都令人興奮不已，而由于2018年和2019年對(duì)LIGO進(jìn)行了升級(jí)，提高了靈敏度，探測器的探測量從每月一個(gè)提升到幾乎每周一個(gè)，這令人印象深刻。據(jù)估計(jì)，到2023年，引力波天文臺(tái)每小時(shí)都能觀測到一次合并。俄勒岡大學(xué)的本·法爾說:“引力波天文學(xué)的爆發(fā)性進(jìn)步怎么說都不為過?！?/span>
由于這種爆炸性的增長，天體物理學(xué)的多個(gè)分支學(xué)科都取得了顯著的進(jìn)展。芝加哥大學(xué)的Daniel Holz說，由于快速增長的大量的觀測事件，讓黑洞合并的研究現(xiàn)在看起來幾乎有些“無聊”，盡管如此，它也正在發(fā)生變化。他表示，我們正非常迅速地進(jìn)入統(tǒng)計(jì)領(lǐng)域，不是在分析一個(gè)，而是在分析一大堆?，F(xiàn)在科學(xué)家會(huì)看看分布方法，有多少是大的，有多少是小的。即使它們繼續(xù)是‘無聊的’，無聊事件的分布也是令人著迷的。
與此同時(shí)，LIGO和Virgo觀測到的第一顆中子星合并，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(xué)的克里斯托弗·貝瑞(Christopher Berry)指出，來自該事件的伽馬射線是在引力波出現(xiàn)1.6秒后被其他望遠(yuǎn)鏡探測到的，這使得對(duì)重力與光速的測試達(dá)到了前所未有的水平。他說:“我們預(yù)計(jì)它們到達(dá)的時(shí)間會(huì)有一些不同，因?yàn)樗鼈儾灰欢ㄊ峭瑫r(shí)被創(chuàng)造出來的。但1.6秒的時(shí)間讓我們得以驗(yàn)證光速和重力速度確實(shí)是一樣的，就像廣義相對(duì)論預(yù)測的那樣?！?/span>
科學(xué)家們探索相對(duì)論的另一種方法是觀察被一個(gè)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(zhì)量物體的引力場時(shí)可以被彎曲和放大一樣，引力波也應(yīng)該以同樣的方式被扭曲。上個(gè)月，天文學(xué)家們?yōu)榭赡芴綔y到這樣一個(gè)事件而興奮不已，當(dāng)時(shí)兩個(gè)看起來相似的引力波信號(hào)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(gè)源，并且被透鏡化了。但不幸的是，進(jìn)一步的研究表明，這兩個(gè)緊挨著到達(dá)地球的信號(hào)來自天空中兩個(gè)不同的方向，但天文學(xué)家仍然對(duì)未來發(fā)現(xiàn)這樣的事件抱有希望，盡管這可能并不容易。加州大學(xué)歐文分校的研究員Asantha Cooray說:“偶然發(fā)現(xiàn)的可能性非常小，你必須進(jìn)行數(shù)百次這樣的觀察才可能發(fā)現(xiàn)一個(gè)?！?/span>
透鏡現(xiàn)象并不是天文學(xué)家預(yù)期的唯一未來發(fā)現(xiàn)。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(fā)生，才能讓LIGO和Virgo探測到它?；魻柶澱f：“這種情況大約一個(gè)世紀(jì)才會(huì)發(fā)生一次。據(jù)我們所知，在過去四年里還沒有發(fā)生這樣的事情。所以我們?nèi)匀恍枰却?。總有一天它?huì)發(fā)生的?！?/span>
想象更大膽的科學(xué)家還認(rèn)為，有一天可能會(huì)看到原始引力波，它是大爆炸后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(shí)候都更深入地回顧宇宙的誕生。最早到達(dá)地球的光是在宇宙40萬年的時(shí)候發(fā)出的，而引力波自宇宙大爆炸后的最初時(shí)刻就開始向我們傳播。但這些波的特征應(yīng)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(jì)劃中的宇宙探測器或歐洲的愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡。
當(dāng)然，引力波的泛濫也揭示了意想不到的新秘密。其中一個(gè)例子是參與這些合并的黑洞的未知起源，它們被稱為恒星質(zhì)量黑洞，因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)量是我們太陽質(zhì)量的幾倍。Mavalvala說:“你可能會(huì)天真地認(rèn)為，這類黑洞是普通恒星變成超新星的殘留物。但我們知道，普通恒星無法長到太陽質(zhì)量的幾十倍。因此，這種形成場景無法成立。另一種可能性是，它們是小黑洞合并的結(jié)果，但這需要宇宙中小黑洞數(shù)量大到無法估量的程度，才能解釋所看到的合并數(shù)量?！蹦壳?，真正的答案仍然難以捉摸。
四年過去了，引力波天文學(xué)的發(fā)展絲毫沒有放緩的跡象。貝瑞說：“我認(rèn)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(shù)據(jù)越來越多，未來還會(huì)有更多的發(fā)現(xiàn)。”
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