引力波天文臺(tái)的五大觀測目標(biāo)

布萊恩·加拉格爾+晨飛

2016年2月3日，麥克馬斯特大學(xué)的物理學(xué)家克里夫·伯吉斯向他的同事發(fā)了一封電子郵件。這封郵件與一個(gè)激動(dòng)人心的傳言有關(guān)。郵件中說，在今天晚些時(shí)候的新聞發(fā)布會(huì)上，這項(xiàng)可能的發(fā)現(xiàn)如果得到確證，就意味著“有人要得諾貝爾獎(jiǎng)了”。伯吉斯說，根據(jù)“密探”的說法，激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）直接觀測到了壯觀的引力波信號(hào)（這種信號(hào)是時(shí)空結(jié)構(gòu)的微小漣漪，是由非常龐大的天體在很遠(yuǎn)的太空造成的）。而被捕捉到的這個(gè)信號(hào)，源于兩個(gè)黑洞的碰撞和合并。1915年，愛因斯坦首先從理論上指出了引力波的存在，但是之前獲得的證據(jù)都是間接的。LIGO是第一個(gè)直接看到引力波的儀器，它使用的方法是測量相隔遙遠(yuǎn)的兩個(gè)鏡面之間距離的微小變化。

我們問了很多物理學(xué)家，如果有一個(gè)完全正常運(yùn)轉(zhuǎn)的引力波天文臺(tái)，觀測到什么最讓他們激動(dòng)。以下是他們給出的最受歡迎的五大目標(biāo)。

1.星系超新星

如果一顆恒星足夠巨大，它會(huì)在生命的盡頭變成一顆超新星，在耗盡核燃料并在自身重量之下坍縮時(shí)發(fā)生壯觀的爆炸場面。雖然我們的太陽太小了，并不會(huì)變成超新星，但是銀河系中存在足夠多的大質(zhì)量恒星，令我們大概每3 0年就有機(jī)會(huì)觀測到一次超新星爆發(fā)。哥倫比亞大學(xué)的天體物理學(xué)家伊姆勒·巴托斯說：“因?yàn)楣饩€，想要看到這些爆炸的內(nèi)部情況非常困難?！痹诩又堇砉W(xué)院和LIGO實(shí)驗(yàn)室工作的數(shù)據(jù)分析師喬納·坎那說：“有了LIGO，我們就可以研究星體核坍縮內(nèi)部原理的極細(xì)微之處?！?/p>

2.黑洞

如果一顆坍縮的恒星足夠巨大，它會(huì)造成時(shí)空的極度彎曲，導(dǎo)致自己的光線也無法逃逸，從而產(chǎn)生黑洞。亞利桑那州立大學(xué)的理論天體物理學(xué)家勞倫斯·克勞斯說，他希望看到坍縮的最后時(shí)刻，“以便觀測接近黑洞表面的事件，在那里物理學(xué)會(huì)變得很有趣”。莫納什大學(xué)的天體物理學(xué)家埃里克· 特拉內(nèi)說：“看到兩個(gè)黑洞合并時(shí)產(chǎn)生的引力波，可以為愛因斯坦的廣義相對(duì)論提供終極檢驗(yàn)。黑洞代表著時(shí)空最大的彎曲程度，觀測兩個(gè)黑洞的碰撞可以告訴我們引力在最極限時(shí)刻的有關(guān)信息：強(qiáng)烈、迅速變化的引力場?！卑屯兴拐f，這種碰撞是我們無法通過其他任何手段觀測到的。

3.中子星

如果一顆恒星發(fā)生了超新星爆發(fā)卻沒有坍縮成黑洞，它就會(huì)變成一顆中子星，一種“迷人的天體”。它們極其致密，一茶匙的中子星就重達(dá)數(shù)十億噸。在實(shí)驗(yàn)室中研究中子星密度下的物質(zhì)并不容易，但是特拉內(nèi)說，引力波“或許可以提供一個(gè)‘太空實(shí)驗(yàn)室，讓我們能夠了解最大可能密度下的物體”。加州理工學(xué)院的理論天體物理學(xué)家基普·索恩，在電影《星際穿越》的拍攝過程中跟導(dǎo)演克里斯托弗·諾蘭一起工作過，他說他想看看“一個(gè)黑洞把一顆中子星撕碎的場景”。在美國航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室工作的齊雅拉·明格瑞利則希望看到中子星和黑洞的合并，認(rèn)為這一現(xiàn)象或許能夠“為中子星磁場衰退中懸而未決的問題提供洞見”。她說：“這確實(shí)是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)代?！?/p>

4.早期宇宙

137億年前宇宙大爆炸時(shí)期產(chǎn)生的引力波，很可能仍然存在?！皺z測這些‘原始引力波可能告訴我們通過其他任何實(shí)驗(yàn)都無法揭示的宇宙原理?！碧乩瓋?nèi)說，“與之相比，我們已經(jīng)相當(dāng)了解的宇宙微波背景輻射，給我們揭示的是宇宙近38萬年來的信息?！比绻軌蚩吹饺绱司眠h(yuǎn)的宇宙，會(huì)讓科學(xué)家有機(jī)會(huì)去探測更高的能級(jí)以及更基礎(chǔ)的物理學(xué)?？藙谒惯€指出，回溯到這樣久遠(yuǎn)的過去，或許還能向我們揭示“其他宇宙的存在”，而這些信息是我們這個(gè)宇宙大爆炸之后不久的早期膨脹階段的產(chǎn)物。

超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬的兩顆中子星碰撞的過程

5.弦理論中的振蕩宇宙弦

巴托斯說，引力波“為研究宇宙提供了一扇全新的窗戶，通過這扇窗戶向外看，我們可以期待許多令人驚喜的發(fā)現(xiàn)”。加州理工學(xué)院的宇宙學(xué)家肖恩·卡洛說，其中一個(gè)驚喜可能是找到弦理論中的振蕩宇宙弦。他說：“這真的是遠(yuǎn)景渺茫，但如果能夠發(fā)現(xiàn)，將具有劃時(shí)代的意義?！钡珜?duì)索恩來說，找到宇宙弦并不是“完全的驚喜”，他希望發(fā)現(xiàn)“我們從來沒有想過的東西”。而對(duì)伯吉斯來說，能夠檢測到引力波他就已經(jīng)“極其開心”了?！叭藗兿胍氖且恍┠軌蚪沂咀匀辉淼臇|西，而基本上科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的任何東西都能給我們這樣的信息。我只是希望能看到更多。群體的統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果永遠(yuǎn)比某個(gè)單一事件能夠向我們揭示更多。”