引力波悄无声息,那么它是如何被发现的?【www.2
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当你发现两个引力源相互旋进并最终合并,这一动作就会产生引力波。尽管这一过程可能不是直观的,但是引力波探测器还是能灵敏的把这些波作为I/r的函数形式表现出来,不是I/r^2,而且对所有方向上的波都是能够探测到的,不论它们是正向的还是侧向的或者是其他介于这两种方式的。

然而,如果引力波穿过干涉臂,由于空间波动会导致其中一条干涉臂被拉长,另一条被压缩,两条干涉臂的长度将会变得略微不同。在这种情况下,两条干涉臂中的光到达接收器的时间就会变得不同,所以干涉条纹就会发生变化。

在我们的宇宙中有很多的中子星和黑洞在围绕着另一个旋转,包括我们在内的星系里也是这样。 当我们想要搜寻这些双星系统的时候,通过无线电脉冲或者是X光,能找到相当多数量的这类系统,甚至能找到他们释放引力波的证据,虽然我们不是直接看到的。

这会不会是因为我们的观测角度不对,刚好错过引力波呢?这就好比我们想要在地球上探测到脉冲星,那么,脉冲星的磁轴就必须要扫过地球。

为什么会这样?这同时也困扰着Amitava Datta和Chavan Chatterjee。他们发出了这样的疑问:为什么所有已知的引力波源头都来自遥远的星系?为什么我们没能在比邻星系探测到?我猜(当然,十有八九都是错的)我们应该把探测器精准地朝向任何方向,也就是说,我们现在的发现都是偶然得来的。

早在引力波被直接探测到之前,天文学家在银河系中发现了一种曾经被认为极其罕见的系统——双脉冲星系统。通过观测脉冲时间的变化,显示出它们的轨道由于引力辐射而衰减。对多个双脉冲星系统进行精确测量之后,天文学家都能看到轨道衰变,这表明它们在发射引力波。

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总之,如果人类能够建造出更灵敏、频率更低的引力波天文台,我们就有可能直接探测到银河系内部的引力波源,因为银河系中有不少的中子星和黑洞相互环绕。但想要探测到双星合并事件很困难,因为这种事件十分罕见,双星轨道衰减需要非常漫长的时间,通常长达上亿年。

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事实上,我们的银河系中也存在互相绕行的双黑洞和双中子星系统。在它们互相绕行过程中,辐射出的引力波会带走一部分轨道能量,从而使它们逐渐旋进,轨道半径越来越小。

当引力波经过空间中的某处时,它会引起交替方向和时间的膨胀与压缩,引起激光臂长度在互相垂直的方向上发生改变。我们就是利用这种物理上的变化而成功的制造出像LIGO 和Virgo这样的引力波探测器的。

虽然引力波探测器对离地球越近的引力波源越敏感,但目前发现的大多数引力波源都远在数亿光年甚至数十亿光年之外。这是为什么呢?我们不应该更频繁地探测到附近的引力波源吗?

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LIGO和Virgo所观测到的11次引力波事件的名字,质量参数以及其他的一些基本信息都被编码记录了下来。记录着第二轮运行的最后一个月所接受到的信息:当时LIGO 和Virgo 同时开机。dl参数表示的是光度距离;2017年发生的中子星合并事件是距离我们最近的事件,和我们相距差不多一亿三千万万光年。

只有在双星合并的最后时刻,辐射出的足够强大引力波才会落入LIGO和Virgo的敏感范围。在中子星或黑洞围绕彼此运行的数千万年甚至数十亿年时间里,它们的轨道在不断衰减,径向分离越大,这意味着它们围绕彼此运行的时间越长,引力波的频率越低,所以LIGO和Virgo无法探测到。

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这种假设不成立,因为忽略了引力和电磁力之间的根本区别。在电磁学中,带电粒子的加速度产生电磁辐射,或者说光。在广义相对论中,有质量物体在空间中的加速运动产生引力波。然而,电磁辐射的产生具有方向性,而引力波的产生没有方向性,它们会以球形的方式朝向空间各个方向辐射出去。因此,无论从引力波源的那个方向观测,都能探测到相同频率和振幅的引力波。

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类似地,天文学家观测到一种特殊的X射线源,表明其中一定存在黑洞。天文学家还发现了X射线双星系统——两个黑洞相在轨道上互相绕行,辐射出的X射线揭示了两个组成部分的质量。

双质量源这个说法可能让你震惊,举个例子,就像是黑洞们和中子星们现在这样,相互环绕着旋进者。

有两个关键因素使我们能够排除地球上的噪音干扰,确认探测到的是引力波。当引力波通过探测器时,将导致两条干涉臂在相反的方向上改变长度,其变化是一个特定的同相量。当观测到干涉臂的长度出现周期性变化时,可以比较肯定是引力波。另外,天文学家在地球上不同的地方建立了多个引力波探测器。虽然每个探测器都将会因为所处的局部环境不同而受到不同噪声的干扰,但经过的引力波对每个探测器的影响非常相似,最多相隔几毫秒。综合两个关键因素,可以使天文学家确认探测到引力波,2015年第一次探测到的引力波GW150914都符合上述的情况。

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如果你准备改变一支臂相对于另一支臂的长度,那么光经过这支臂的时间也会改变,而因为光是一种波,光传播时间的一点微小的改变都意味着你接收到的光的波动图案会是不同的,因此,和另一束激光共同构成的干涉图像也会改变。

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如果我们有更灵敏,能探测到更低频率引力波的探测器,那我们就有可能直接探测到我们星系里的引力波源。如果我们想要找到一个真正的合并事件,那是很难得的。合并或许需要经过亿万年的酝酿,但是真正的合并事件却只发生几分之一秒。我们只有通过大范围的观测才能找到他们,幸运的是,我们早就拥有能够支持这项事业的技术了。

自LIGO和Virgo运行以来,还没有在银河系中发现任何的双黑洞或双中子星合并。这并不奇怪,因为这种强大的引力波事件非常罕见。据估计,可观测宇宙中每年大约有80万个正在合并的双黑洞系统。但是宇宙中有多达两万亿个星系,这意味着我们需要观察数百万个星系才能探测到一个引力波源。

我们没能在我们的星系发现双星环绕系统的原因就是LIGO和Virgon的激光臂太短了!如果它们不是三四千米长而是几百公里长还带有更多的反射镜的话,或许我们早就在我们的星系看见它们了。就目前的情况来看,这是LISA的一个显著的进步:它能告诉我们有哪些双星系统在未来肯定会合并在一起,甚至能让我们可以预测在哪里?什么时候发生!

LIGO和Virgo有两条长达三四公里并且互相垂直的干涉臂,其中近乎完全真空的状态。相同频率的激光被分光器沿着两条干涉臂被分开,激光沿着干涉臂运动,并被来回反射若干次,最后重新组合在一起。

4一旦一个天体开始释放引力波,那么这就意味着终有一天它们会合并在一起。

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通过对黑洞环绕物质发出射线以及旋进、合并和铃宕过程中产生的引力波的观测,我们能够察觉到宇宙中黑洞的存在或诞生。但是到目前为止,我们还没有在银河系内探测到黑洞的合并。

那么,为什么目前探测到的引力波源都在遥远的宇宙中呢?为什么我们没有在银河系中探测到引力波呢?

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除非LIGO和Virgo的干涉臂长度达到几百万公里,而不是现在的3至4公里,它们才有能力探测到银河系中的双黑洞或者双中子星互相绕行时所辐射出的引力波。就目前的情况来看,激光干涉空间天线将有能力来探测银河系中的引力波,并且能够预测引力波会出现在何时何地。LISA在太空中,三个特殊的太空探测器组成一个边长为500万公里的等边三角形,所以LISA的灵敏度将会远高于LIGO和Virgo。

这类系统有这些特点:

既然没有观测方向上的偶然性,那么,为什么我们在自己的星系中没有探测到来自双星源的引力波呢?

这就是为什么我们的引力波观测设备需要灵敏到能够在所有方向上观测到那些来自数十亿光年之外的引力波;否则的话我们就不能够得到足够量的统计数据。

迄今为止,LIGO和Virgo引力波天文台已经在宇宙中直接探测到11起引力波事件。不过,这些引力波源距离地球非常遥远,都在河外星系中,例如,第一个被探测到的引力波源距离地球13亿光年,第一个双中子星引力波源距离地球1.3亿光年。

正如你看到的对于这些波的第一次稳定性测试,回看2015年九月14号的那些观测,两种影响都是存在的。

能够产生强大引力波的事件非常罕见,因为只有在两个黑洞或者中子星碰撞之前的最后角秒或者几毫秒,这样才有合适的特性被地球上最敏感的引力探测器捕捉到。正因为如此,自2015年来到现在,人类才探测到11起引力波源,引力波事件似乎是随机发生的。

科学界有个非常了不起的进步,即我们已有能力探测引力波。LIGO和Virgo在引力波的观测方面有着前所未有的能力和灵敏度,那些时空结构中汹涌的波动将不会在悄无声息地从我们身边溜走。

光是电磁波,把各种光波结合在一起,就会产生干涉图样,相干干涉和相消干涉会有不同的干涉图样。在没有排除外界干扰和引力波通过干涉臂的情况下,LIGO和Virgo中的光所产生的干涉条纹保持稳定。

同样地,如果我们观测到X光的话就表明在这个系统的中心一定存在一个黑洞。然而目前只通过电磁观测发现过两例双黑洞系统,从观测结果中我们了解到大质量的黑洞会从伴星那里吸积质量,从而会产生这种X射线双星的现象。

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这是一个睿智的观点,但是它忽略了引力和电磁力的基本区别。在电磁中,电磁辐射是由带电粒子的加速所产生的;广义相对论中,引力辐射是由大质量粒子的加速所产生的。这到目前为止还是处于无可辩驳的地位。

这些双星系统其实在银河系中不难发现,它们产生的引力波也在不断穿过地球上的引力波探测器。之所以我们还未曾探测到它们,原因很简单,引力波探测器在错误的频率范围内。

对于更大质量的并且处在合并过程早期的黑洞或者系统我们就需要使用更长基线更低噪声的设备来观测了。

当两条臂是一样长而且也没有引力波通过的时候,信号是正常的,干涉图像也是稳定的。当臂的长度改变了,信号会发生真实的震荡,干涉图像也会随时以可预测的方式变化。

活跃的星系核心给人一种艺术家的印象。位于吸积盘中央的超大质量黑洞向空间中喷射着垂直于吸积盘的高能物质。四百万光年之外的一个耀变体向外喷射着许多高能宇宙射线和中微子。而只有从黑洞视界外才能离开黑洞,在视界以里就永远逃不掉。

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LIGO和Virgo找到了一大批新的质量比从前X光研究单独发现的更大的黑洞。这张图显示的是LIGO和Virgo所探测到的全部十个可信的双黑洞系统的质量,其中还有一个双中子星系统。LIGO/Virgo经过灵敏性上的升级,从这个四月开始应该就可以每周都搜寻双星合并的事件了。

同时,我们可以观测到它们的同时定位到产生它们的源头并研究它们的属性,到目前为止,我们已经探测到十一个不同的源头。

有很多原因可以解释为什么我们会事与愿违,就像质疑者所说的那样,也许是因为方向问题造成的。毕竟,宇宙中有很多现象,比如脉冲星和耀变体,就只有在电磁信号直射进我们的视线的时候才能看见。

从空中俯瞰Virgo引力波探测器,这是一座建立在靠近意大利比萨城卡希纳的有三千米长臂的巨型迈克尔逊激光干涉器,和有四千米长臂的LIGO探测器的功能互补。这些探测器对于遥远处引力波振幅的微小变化非常敏感,但能量的变化不是特别敏感。

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