新一波引力波| 空间

一种大约 100 亿万亿万亿毫秒 在大爆炸的创生之初，宇宙被认为经历了短暂但异常快速的增长。 这个被称为暴胀的事件是如此灾难性，以至于空间和时间的结构都调整到了引力波 (GW)。 相比之下，六年前首次发现的引力波正在引起轰动，这些都是黑洞碰撞产生的微小事件。 但现在科学家在欧洲 空间 欧空局将目光投向了更大的目标——并希望能够在事件发生大约 140 亿年后，使用有史以来最大的仪器，很快就能探测到宇宙暴胀阵痛的微弱回声。 欧洲航天局计划的引力波探测器比地球大数百倍，将漂浮在太空中，寻找由各种大规模天体物理震动引起的时空振荡。

第一个 GW 于 2015 年由激光干涉仪引力波天文台 (Ligo) 确定，该国际项目的成功为其三位主要支持者赢得了 2017 年诺贝尔物理学奖。 Ligo 由位于美国华盛顿州和路易斯安那州的两个巨大探测器组成。 它们每个都部署了两条 2.5 英里（4 公里）长的隧道，它们以直角相交，其中激光束沿着远端的镜子传播，然后反射回来。 当臂相交时，返回的光波会相互干扰。 当GW通过时，它会非常轻微地收缩或拉伸时空。 由于这种效果在每个臂上都会有所不同，因此改变了光波的同步性，从而改变了两束光束的干涉。

乐高并不孤单。 后来与位于意大利的欧洲探测器 Virgo 合作证实了 2015 年圣诞节的第二个 GW 发现。 日本的一种名为 Kagra 的探测器于去年年初开始运行，其他设备也计划在印度和中国投入使用。

迄今为止看到的大多数黑洞似乎是由两个黑洞碰撞造成的。 这些恒星由质量比我们的太阳大许多倍的恒星组成，这些恒星在自身引力的影响下燃烧并坍塌。 根据阿尔伯特爱因斯坦的广义相对论，将引力描述为由质量引起的时空扭曲，坍缩可以持续，直到只剩下一个非常密集的“奇点”，它产生的引力场如此之强，以至于连光都不能逃脱。 从他身上。

如果两个黑洞因彼此的引力而发生碰撞，它们可能会相互环绕并逐渐向内逐渐变细，直到它们结合在一起。 广义相对论在一个多世纪前预测，此类事件将在宇宙中发送 GW 波，尽管在发现 LIGO 之前没有直接证据证明它们。 它们也可能是由其他极端天体物理现象引起的，例如中子星合并：比黑洞质量小的炽热恒星在它们由非常密集的物质组成以至于一个人的顶针重达 50 米时停止了坍缩大象。

GW 也可以由更大的物体产生。 在我们银河系和许多其他星系的中心，有一个超大质量黑洞，其质量是太阳质量的几百万倍，由坍缩的恒星、气体和宇宙尘埃云形成。 与 Ligo 和 Virgo 观察到的微小黑洞合并波相比，滚入这些超大质量黑洞的物体产生的引力波以更低的频率和更长的波长振荡。

地面探测器无法精确定位这些东西——就像试图在龙虾碗中捕捉鲸鱼一样。 要看到它们，干涉测量探测器需要更长的臂。 这很棘手，因为每个通道臂都应该长而直，并且没有任何振动。 因此，研究人员计划在太空中制造低频陀螺仪。 这些计划中最先进的是现在为 Esa 建造的设备： 空间天线激光干涉仪 （丽莎）。

LISA 将从航天器发射激光，以从另一个航天器内自由漂浮的镜子反射。 使用三个航天器，您可以创建像 Ligo 一样的双臂 L 形结构。 但是手臂不必成直角：相反，Lisa 会将她的三艘航天器放置在几百万英里外的三角形角落，每个角落都成为三个探测器之一。 整个小组将沿着地球轨道运行，落后于我们的星球约 30 米。

为了测试在太空中进行激光干涉测量的可行性，欧空局于 2015 年启动了一个名为 丽莎探路者 – 航天器小规模展示技术。 使命， 执行该任务的项目科学家伊萨·保罗·麦克纳马拉 (Issa Paul McNamara) 说，它于 2017 年完成，“让我们大吃一惊”。 “它在第一天就满足了我们的要求，没有修改或什么都不做。” 他表明，漂浮在航天器内的一面镜子可以保持令人难以置信的静止，其振荡幅度不超过单个原子大小的千分之一。 为了保持稳定，航天器使用小型推进器来响应来自太阳光的力。

换句话说，麦克纳马拉说：“我们的航天器比冠状病毒的大小更稳定。” 这也是因为 LISA 需要检测臂长的变化，由于 GW，臂长的变化是超过一百万英里的原子宽度的十分之一。

然而，丽莎的释放至少在十年内不会发生。 “我们要建造三颗卫星，每颗卫星都有很多部分，”麦克纳马拉说。 “这只是需要时间——这是一项非常复杂的任务的不幸事实之一。” 下一个里程碑是“正式通过任务”，预计在 2024 年。“此时，我们将知道任务的细节，以及哪些欧空局成员国和美国贡献了什么，以及花费了多少， “琼斯大学的天体物理学家 Emmanuel Berti 说。巴尔的摩的霍普金斯大学。

日本和中国也处于GW空间探测器规划的早期阶段。 McNamara 认为这不是一种竞争，而是一件好事——因为如果有多个探测器，就有可能使用三角测量来确定波的来源。

“Lisa 将以超越可见光的方式改变 GW 天文学 [to radio waves, X-rays etc] 伯蒂说，它改变了普通天文学的游戏规则。“他将研究不同类别的引力波源。”他说，通过研究超大质量黑洞合并，“我们希望能对结构的形成有更多的了解。宇宙，以及引力本身。”丽莎已经在大爆炸早期看到了暴胀产生的“原始”引力波，所以这可能会检验关于这一切是如何开始的理论。

吨这可能是查看低频 GW 的另一种方法，它根本不需要专用探测器。 一个名为北美纳赫兹引力波天文台 (NanoGrav) 的合作项目利用全球射电望远镜网络的观测结果来寻找引力波对称为脉冲星的“宇宙时钟”计时的影响。

脉冲星围绕中子星快速旋转，从中子星发出强烈的无线电波束，像灯塔射线一样扫过天空。 脉冲星信号非常规律且可预测。 “如果 GW 穿过脉冲星和地球之间，它会扭曲重叠的时空，”田纳西州范德比尔特大学的 NanoGrav 团队成员斯蒂芬泰勒说，导致脉冲到达的时间早于或晚于预期。

事实上，脉冲星变成了探测器。 正如来自科罗拉多大学博尔德分校的 NanoGrav 团队成员 Julie Comerford 所说，这使“探测器”臂与地球和脉冲星之间的距离一样长：也许有数千光年。 由于这种庞大的尺寸，NanoGrav 可以检测到的信号具有非常长的波长和非常低的频率，甚至超出了 LISA 的范围，并且是由比太阳大数十亿倍的超大质量黑洞产生的，这些黑洞在整个星系碰撞时合并. 泰勒说没有其他探测器可以检测到它。 虽然灾难性的难以想象，但这些集成实际上很常见，NanoGrav 会像许多人一样大肆宣传。 “在整个宇宙中，有成对的超大质量黑洞相互环绕并产生千兆瓦的能量，”康默福德说。 “这些涟漪产生了我们正在摇摆的GW海洋。”

1 月，NanoGrav 团队由科罗拉多州的 Comerford 博士后研究员 Joseph Simon 领导 报告这个 GW 背景的第一个可能发现. 尽管需要更多的工作来验证信号确实是由 GW 引起的，但 Commerford 称这一结果为“我在过去几年中看到的最令人兴奋的天体物理学结果”。

事实上，如果 NanoGrav 使用的是光年大小的 GW 探测器，伦敦大学学院的物理学家 Sougato Bose 认为我们可以制造一个小到可以放入橱柜的探测器。 他的想法是基于量子理论的一种更不寻常的效应，它通常描述非常小的物体，例如原子。 量子物体可以放置在所谓的叠加中，这意味着它们的属性在被测量之前不会被唯一确定：可能会有不止一种结果。

量子科学家通常可以将原子置于量子叠加态——但是对于像足球这样的大型物体来说，这种奇怪的行为就会消失，无论我们看与否，这些物体要么在这里要么在那里。 据我们所知，对于这么大的物体，并不是不可能叠加——它不可能保持足够长的时间以被检测到，因为叠加很容易被与物体周围环境的任何相互作用破坏。

Bose 和同事建议 如果我们可以在一个原子和一个足球之间创造一个中等大小的物体的量子叠加——一个直径约 100 纳米的小晶体，大约有一个大病毒粒子的大小——叠加​​将非常危险，以至于对瞬态 GW 敏感。 事实上，量子叠加的两个潜在状态可以像两个光波一样重叠——引力波引起的时空扭曲将表现为这种干涉的变化。

Bose 认为，保持在空洞中的金刚石纳米晶体比外层空间更多，并在绝对零的细丝中冷却，可以保持叠加足够长的时间来实现这一目标。 这并不容易，但他说所有的技术挑战都已经单独提出了——这是把它们放在一起的问题。 “如果有足够的资金，我认为在未来 10 年左右的时间里这样做不会有任何障碍，”他说。

如果这些和其他发展导致 GW 天文学的繁荣，我们会看到什么？ “当你打开一扇了解宇宙的新窗口时，你通常会看到意想不到的事情，”麦克纳马拉说。 除了看到更多类型的我们已经知道会导致 GW 的事件之外，我们还可能会收到我们无法轻易解释的信号。 “那是乐趣开始的时候，”麦克纳马拉说。