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研究种类：Space Exploration，Gravitational Waves
原文作者: Ethan Siegel
创作者：SueT@DAOrayaki.org
审核者：Tan Zhi Xuan@DAOrayaki.org
原文: Why gravitational waves are the future of astronomy
该模拟显示了从双黑洞系统发出的辐射。尽管我们已经通过引力波探测到了许多对黑洞，但它们都仅限于约 200 个太阳质量或以下的黑洞，以及由物质形成的黑洞。在建立更长的基线引力波探测器之前，超大质量的黑洞仍然遥不可及，而脉冲星定时阵列能够探测到更长波长和更奇异的信号。 （图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心）
为什么引力波是天文学的未来？
我们在 2015 年才探测到我们的第一个引力波。在接下来的二十年里，我们迎来了成千上万个引力波。
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，即两个大质量物体瞬间相互吸引，力与它们的质量成正比，与它们之间的距离的平方成反比，也就是与水星轨道的观测结果和狭义相对论的理论要求都不一致：没有任何东西可以比光速更快，甚至引力本身也不行。
广义相对论取代了牛顿引力，将时空视为一种四维结构，所有物质和能量都会在这个结构中穿梭：受到光速的限制。这种结构不仅仅是平面的，就像笛卡尔网格一样，它的曲率是由物质和能量的存在和运动决定的：物质和能量告诉时空如何弯曲，弯曲的时空告诉物质和能量如何移动。每当一个含有能量的物体在弯曲的空间中移动时，一个不可避免的后果是它会以引力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，它们即将开启天文学的未来。
两个黑洞的螺旋和合并所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。二元黑洞合并的物理学与绝对质量无关，但在很大程度上取决于合并黑洞的相对质量和自旋。 （图片来源：C. Henze/NASA 艾姆斯研究中心）
为了理解引力波天文学，你需要知道的前两件事是：引力波是如何产生的，以及它们如何影响我们在宇宙中可以观察到的数量。每当含有能量的物体通过一个时空曲率发生变化的区域时，就会产生引力波。这适用于：
● 围绕其他质量运行的质量；
● 旋转或坍塌物体的快速变化；
● 两个大质量物体的合并，
● 甚至还有一组量子波动，这些量子波动是在热大爆炸之前的膨胀时代产生的，并为热大爆炸提供了条件。
在所有这些情况下，空间特定区域内的能量分布迅速变化，这导致产生空间本身固有的辐射形式：引力波。
时空结构中的这些涟漪在真空中以精确的光速传播，当引力波的波峰和波谷经过它们时，它们会导致空间在相互垂直的方向上交替压缩和稀释。这种固有的四极辐射会影响它们通过的空间的属性，以及该空间内的所有物体和实体。
引力波沿一个方向传播，在相互垂直的方向上交替扩展并压缩空间，由引力波的偏振定义。在引力的量子理论中，引力波本身应该由引力场的单个量子组成：即引力子。虽然它们可能均匀地分布在空间，但振幅是探测器的关键数量，而不是能量。 （图片来源：Markus Pössel/Einstein Online）
如果你想探测引力波，你需要一些方法来对你正在搜索的波的振幅和频率保持敏感，你还需要有一些方法来探测它是否正在影响你所测量的空间区域。当引力波穿过空间区域时，会发生如下情况：
● 它们以特定的方向进入，其中空间在与其传播的两个相互垂直的方向上“压缩”以及“稀释”；
● 它们以特定的振幅进行压缩和稀释，这告诉你们需要对“距离”或“光程时间”等事物的变化非常敏感才能看到它们；
● 它们以特定的频率振荡，该频率仅由产生感兴趣的引力波的源头以及宇宙膨胀在引力波通过宇宙传播时的拉伸程度所决定。
许多检测方案已经被提出了，包括对通过的引力波的振荡运动敏感的振动棒，对通过脉冲视线相对于我们的引力波的振荡变化敏感的脉冲星计时，以及跨越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引力波通过时的证据。
当两臂长度完全相等且没有引力波通过时，信号为空，干涉图形是恒定的。随着臂长的变化，信号是真实的，并且是振荡的，干涉图形以可预测的方式随时间变化。 （图片来源：NASA 的 The Space Place）
最后一种方法正是我们成功探测到引力波的第一种，也是迄今为止唯一的方法。我们第一次用这个方法探测发生在 2015 年 9 月 14 日，它代表了两个分别为 36 和 29 个太阳质量的黑洞的螺旋以及合并。当它们合并在一起时，它们形成了一个只有 62 个太阳质量的最终黑洞，“缺失的”三个太阳质量通过 E = mc² 以引力波的形式转化为纯能量。
当这些波穿过地球时，它们交替压缩并稀释我们的星球，其宽度还不到一根草的宽度：微不足道。然而，我们有两个引力波探测器——LIGO Hanford 和 LIGO Livingston 探测器——每一个都由两个垂直的激光臂组成，长 4 公里，在激光束被带回并重新组合之前，它们来回反射一千多次。
通过观察由组合激光器产生的干涉图形的周期性变化，这些干涉图形本身是由穿过激光经过的空间的引力波引起的，科学家们能够重建通过的引力波的振幅和频率。我们第一次捕捉到了这些如今闻名遐迩的时空涟漪。
GW150914 是有史以来第一个直接探测并证明引力波存在的证据。由 LIGO 天文台 Hanford 和 Livingston 探测到的波形与广义相对论的预测相吻合，即引力波来自一对太阳质量约为 36 和 29 的黑洞的内旋和合并，以及随之而来的由合并后的单个黑洞产生的“铃宕”。 （图片来源：Aurore Simonnet/LIGO Scientific Collaboration）
从那时起，两个 LIGO 探测器加入了另外两个地面激光干涉仪引力波探测器：欧洲的 Virgo 探测器和日本的 KAGRA 探测器。到 2022 年底，所有四个探测器将结合起来产生前所未有的引力波探测器阵列，使它们能够比以往任何时候都对来自天空更多位置的低振幅引力波保持敏感。在本世纪后期，第五个探测器 LIGO India 将加入他们的行列，这将进一步提高他们的灵敏度。
你必须意识到，每一个穿过地球的引力波都有一个特定的方向，只有导致单个探测器的两个垂直激光臂发生重大变化的方向才能进行探测。双胞胎 LIGO Hanford 和 LIGO Livingston 探测器专门针对冗余进行定向：探测器所处的角度，相对于彼此而言，是由地球的曲率精确补偿的。这种选择可确保出现在一个探测器中的引力波也会出现在另一个探测器中，但这样做的代价是，会导致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范围，需要更多具有多种方向的探测器——包括对 LIGO Hanford 和 LIGO Livingston所错过的方向融入敏感的探测器，而这也是赢得 "捕捉它们全部 "这一种神奇宝贝形式游戏的必要条件。
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。虽然这些天体包括从略微超过 1 个太阳质量的最轻的中子星，到略微超过 100 个太阳质量的合并后黑洞，但引力波天文学目前只对一组非常狭窄的天体敏感。（图片来源：LIGO-Virgo-KAGRA / Aaron Geller / Northwestern）
但即使有多达五个探测器，它们之间有四个独立的方向，我们的引力波能力仍将在两个重要方面受到限制：振幅和频率。目前，我们有大约 100 个引力波事件，但所有这些事件都来自于在激发和合并的最后阶段被捕获的相对低质量、紧凑的物体（黑洞和中子星）。此外，它们都相对较近，黑洞合并延伸了数十亿光年，中子星合并可能达到了几百万光年。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。
同样，原因很简单：越靠近大质量物体，引力场强度就会越大，但距离黑洞最近的距离取决于其事件视界的大小，而事件视界的大小主要取决于黑洞的质量。黑洞的质量越大，它的视界就越大，这意味着任何物体完成一个轨道的同时仍留在事件视界之外所需的时间就越长。它是质量最低的黑洞（以及所有中子星），它们的轨道周期最短，即使有数千次反射，只有 3-4 公里长的激光臂对更长的时间周期也不敏感。
引力波跨越各种波长和频率，需要一组截然不同的观测站来探测它们。 “Astro2020 十年”提供了一项计划，以支持每一种制度中的科学，以前所未有的方式加深我们对宇宙的了解。到 2030 年代末，我们可以期待一个由各种引力波观测站组成的舰队，这些观测站对许多不同类别的引力波都很敏感。 （图片来源：美国国家科学院/Astro2020 十年调查）
这就是为什么，如果我们想检测任何其他来源发出的引力波，包括：
● 更大质量的黑洞，比如在星系中心发现的超大质量黑洞；
● 不太紧凑的物体，例如绕行的白矮星；
● 引力波的随机背景，由波不断经过我们的所有超大质量黑洞双星产生的所有涟漪的累积总和引起；
● 或引力波的“其他”背景：宇宙膨胀遗留下来的引力波，在宇宙大爆炸后 138 亿年，至今仍持续存在于整个宇宙中。
我们需要一套全新的、完全不同的引力波探测器。我们今天拥有的地面探测器，尽管它们在适用范围内确实非常出色，但在振幅和频率方面受到两个无法轻易改进的因素的限制。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可以覆盖的频率范围，我们需要更长的激光臂。凭借约 4 公里的激光臂，我们已经看到了我们所能看到的质量最高的黑洞；如果我们想探测更高的质量或更远距离的相同质量的黑洞，我们就需要一个有更长激光臂的新探测器。我们也许能够制造出比当前极限长约 10 倍的激光臂，但这是我们能做到的最好的了，因为第二个极限是由地球本身设定的：事实上它是弯曲的，随之存在的事实还有构造板块的存在。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。
通过激光臂连接的空间中三个等距的探测器，它们间隔距离的周期性变化可以揭示适当波长的引力波的通过。 LISA 将是人类第一个能够探测来自超大质量黑洞和落入其中的物体的时空涟漪的探测器。如果发现这些物体在第一批恒星形成之前就存在，那将是原始黑洞存在的“确凿证据”。 （图片来源：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 年代开始采用另一种方法：在太空中创建基于激光的干涉仪。不受地壳在地幔顶部移动时无法避免的基本地震噪声的限制，也不受我们在考虑到地球曲率的情况下构建完美直管的能力的限制，我们可以制造基线长达数十万甚至数百万公里的激光臂。这就是 LISA 背后的理念：激光干涉仪空间天线，计划于 2030 年代发射。
使用 LISA，我们应该能够在比以往任何时候都更低的频率（即更长的引力波波长）下实现原始灵敏度。我们应该能够探测到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 LIGO 的探测器的敏感来源，除非在更早的阶段，给我们几个月甚至几年的时间来准备合并事件。有了足够多的此类探测器，我们应该能够准确定位这些合并事件将发生的位置，从而使我们能够在关键时刻将我们的其他设备——粒子探测器和电磁敏感望远镜——指向正确的位置。在许多方面，LISA 将是我们目前所谓的多信使天文学的最终胜利：我们可以在其中观察来自同一天体物理事件的光、引力波和/或粒子。
这张插图显示了嵌入时空中的地球如何看到来自各种脉冲星的到达信号，这些信号被传播到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了每一个脉冲星的时间，对这些脉冲星进行长时间、足够灵敏的监测可以揭示这些引力信号。 （图片来源：Tonia Klein/NANOGrav）
但对于更长波长的事件，由以下方式生成：
● 十亿太阳质量的黑洞相互绕行；
● 宇宙中所有超大质量黑洞双星的总和；
● 和/或宇宙膨胀留下的引力波背景。
我们需要更长的基线来探测。幸运的是，宇宙自然而然地为我们提供了这样一种方式来做到这一点，只需观察那里的东西：精确、准确、自然的时钟，以毫秒脉冲星的形式。这些自然时钟遍布我们整个银河系，包括数千和数万光年之外，它们发出精确定时的脉冲，每秒数百次，并且在数年甚至数十年的时间尺度上保持稳定。
通过精确测量这些脉冲星的脉冲周期，并将它们拼接成一个持续监控的网络，脉冲星上的组合时间变化可以揭示这些信号，而目前任何人造探测器都无法发现这些信号。我们知道那里应该有许多超大质量黑洞双星，甚至可以单独检测和精确定位最大质量的这样的双星对。我们有大量间接证据表明应该存在膨胀引力波背景，我们甚至可以预测它的引力波谱应该是什么样子，但我们不知道它的振幅。如果我们在我们的宇宙中足够幸运的话，从某种意义上说，这种背景的振幅高于潜在的可探测阈值，脉冲星计时可能是解开这个宇宙密码的罗塞塔石碑。
（插入 GIF 图）https://miro.medium.com/max/1050/0*y64TQj89K6-EiTze
两个合并黑洞附近扭曲时空的数学模拟。彩色带是引力波的波峰和波谷，随着波幅的增加，颜色变得更亮。携带最多能量的最强波出现在合并事件之前和期间。从激发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越超过 9 个数量级的频率。 （图片来源：SXS 合作组织）
尽管我们早在 2015 年就坚定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 16 世纪后伽利略时代的光学天文学一样。我们目前只有一种工具能够成功探测到引力波，并只能在很窄的频率范围内探测到它们，而且只能探测到距离最近的、产生最大量级信号的引力波。然而，随着作为引力波天文学基础的科学技术不断进步，我们将取得如下进展：
● 更长基线的地面探测器；
● 天基干涉仪；
● 以及越来越敏感的脉冲星定时阵列。
我们将揭示越来越多我们从未见过的宇宙。结合宇宙射线和中微子探测器，并与来自整个电磁光谱的传统天文学相结合，我们实现第一个三重奏（一个天体物理事件，我们在这同个事件上观察光、引力波和粒子）只是时间问题。它可能来自于一些意想不到的东西，如附近的超新星，但它也可能来自数十亿光年外的超大质量黑洞合并。然而，可以肯定的一点是，无论天文学的未来是什么样子，都肯定需要对引力波天文学这个新的、肥沃的领域进行健康和有力的投资！
《Starts With A Bang》 由 Ethan Siegel 博士撰写，他是《Beyond The Galaxy》 和《Treknology》的作者。
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