引力波的首次直接探测 预计将于 2 月 11 日由高级激光干涉仪引力波天文台 (LIGO) 宣布。 据说，研究人员使用 LIGO 的双巨型探测器——一个在路易斯安那州利文斯顿，另一个在华盛顿州汉福德——测量了两个黑洞碰撞产生的时空涟漪。
这样的宣布将证明阿尔伯特·爱因斯坦对引力波的预测是正确的，他几乎在 100 年前就将其作为他的 广义相对论的一部分提出——但这也将具有更深远的意义。 作为时空结构中的振动，引力波通常与声音进行比较，甚至已被转换为 声音 片段。 实际上，引力波望远镜使科学家能够“听到”现象，同时光基望远镜“看到”现象。（LIGO 及其位于意大利比萨的较小对应物 Virgo 的成员已经建立了一个系统，用于向从事其他类型望远镜的团体发出警报）。
当 LIGO 在 1990 年代初期争取美国政府资助时，其在国会听证会上的主要反对者是天文学家。“普遍的观点是 LIGO 与天文学没有太大关系，”佛罗里达大学盖恩斯维尔分校的广义相对论理论家、LIGO 的早期支持者克利福德·威尔说。 但他说，现在情况已经发生了变化。
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欢迎来到引力波天文学领域：我们来看看它可以探索的问题和现象。
LIGO 预计将于周四宣布的信号 据传是由两个合并的黑洞产生的。 这种事件是已知能量最高的； 它们发出的引力波的功率可以在短时间内与整个可观测宇宙中所有恒星的功率总和相媲美。黑洞合并 也是最容易解释的引力波信号之一。
当两个黑洞开始相互螺旋靠近时，就会发生黑洞合并，以引力波的形式辐射能量。 这些波应该具有 一种称为啁啾声的特征声音，可用于测量两个物体的质量。 接下来，黑洞实际上融合了。“这就像你得到两个肥皂泡，它们靠得如此之近以至于形成一个泡泡。 最初，较大的气泡会变形，”巴黎附近高等科学研究所的引力理论家蒂博·达穆尔说。 生成的单个黑洞将稳定成完美的球形，但首先预计会以称为铃振模式辐射引力波。
探测到黑洞合并最重要的科学结果之一将是确认黑洞确实存在——至少是广义相对论预测的由纯粹、空旷、扭曲的时空构成的完美圆形物体。 另一个结果是合并按照预测进行。 天文学家已经掌握了大量关于这些现象的间接证据，但到目前为止，这些证据来自对绕黑洞运行的恒星和过热气体的观测，而不是对黑洞本身的观测。
“包括我自己在内的科学界，对黑洞变得非常冷淡。 我们认为它们是理所当然的，”新泽西州普林斯顿大学广义相对论模拟专家弗朗斯·普雷托里乌斯说。 “但如果你想想这是一个多么令人震惊的预测，我们真的需要令人震惊的证据。”
引力波以光速传播吗？
当科学家开始将 LIGO 的观测结果与其他类型望远镜的观测结果进行比较时，他们首先要检查的事情之一是信号是否同时到达。 物理学家假设引力是由称为引力子的粒子传递的，引力子是光子的引力类似物。 如果像光子一样，这些粒子没有质量，那么引力波将以光速传播，这与经典广义相对论中引力波速度的预测相符。（它们的速度会受到宇宙加速膨胀的影响，但这应该只在远大于 LIGO 可以探测的距离上显现出来）。
但是， 引力子有可能具有微小的质量，这意味着引力波的传播速度将低于光速。 因此，如果 LIGO 和 Virgo 探测到来自宇宙事件的引力波，并发现波到达地球的时间比传统望远镜探测到的相关 γ 射线爆发稍长，那么这可能会对基础物理学产生重大影响。
时空是由宇宙弦构成的吗？
如果探测到来自“宇宙弦”的引力波爆发，那将是一个更奇怪的发现。 这些时空曲率的假设缺陷可能与弦理论相关，也可能不相关，它们将无限细，但会跨越宇宙距离。 研究人员预测，宇宙弦如果存在，可能会偶尔出现扭结； 如果弦断裂，它会突然释放出引力波爆发，LIGO 和 Virgo 等探测器可以测量到。
中子星坚固吗？
中子星是较大恒星在自身重量下坍缩的残余物，变得非常致密，以至于它们 将其组成的电子和质子推到融合为中子。 人们对它们的极端物理学知之甚少，但引力波可以提供独特的见解。 例如，它们表面强烈的引力倾向于使中子星几乎呈完美的球形。 但一些研究人员推测，可能仍然存在“山脉”——最多几毫米高——这使得这些直径约 10 公里的致密物体略微不对称。 中子星通常旋转得非常快，因此质量的不对称分布会使时空变形，并产生正弦波形状的连续引力波信号，这将辐射能量并减慢恒星的自转速度。
相互绕行的中子星对也将产生连续信号。 就像黑洞一样，恒星会相互螺旋靠近并最终合并，有时会产生可听见的啁啾声。 但它们的最后时刻将与黑洞的最后时刻截然不同。“根据质量和中子致密物质可以施加多少压力，您会发现各种可能性，”普雷托里乌斯说。 例如，由此产生的合并恒星可能是一颗巨大的中子星，或者它可能立即坍缩并变成黑洞。
是什么让恒星爆炸？
当大质量恒星停止发光并向自身坍缩时，就会形成黑洞和中子星。 天体物理学家认为，这个过程是 常见类型的超新星爆炸（称为 II 型超新星）的动力来源。 此类超新星的模拟尚未清楚地解释是什么点燃了它们，但倾听真实超新星预计产生的引力波爆发可能有助于提供答案。 根据爆发的波形、爆发的响度、爆发的频率以及它们与电磁望远镜看到的超新星的相关性，这些数据可能有助于验证或否定各种现有模型。
仙后座 A，超新星遗迹。
美国宇航局/CXC/SAO
宇宙膨胀有多快？
宇宙的 膨胀 意味着远离我们星系的遥远物体看起来比实际更红，因为它们发出的光在传播过程中会被拉伸。 宇宙学家通过将星系的红移与星系离我们的距离进行比较来估计宇宙的膨胀速度。 但该距离通常是通过“Ia 型”超新星的亮度来衡量的——这种技术会留下很大的不确定性。
如果世界各地的几个引力波探测器探测到来自同一中子星合并的信号，它们将能够共同提供对信号绝对响度的估计，这将揭示合并发生的距离。 它们还将能够估计信号的来源方向； 然后天文学家可以推断出哪个星系托管了合并。 将该星系的红移与通过引力波响度测量的合并距离进行比较，可以提供对宇宙膨胀率的独立估计，可能比当前方法更准确。
本文经许可转载，并于 2016 年 2 月 9 日首次发表。