諾貝爾獎並不意味著引力波天文學已經結束，而是剛剛開始

【博科園-科學科普】2017年諾貝爾物理學獎授予Rainer Weiss、Barry Barish和Kip Thorne，以表彰他們對引力波天文學的開創性貢獻。

Rainer Weiss,Barry Barish和Kip Thorne是2017年諾貝爾物理學獎得主。圖片： Nobel Media AB 2017

當然真正的贏家是LIGO，它在過去40多年的時間裡由1000多人組成，隨著他們的實驗裝置越來越先進發達而變得更加敏感，能夠探測到時空中逐漸變小的漣漪。2015年所有這些努力都達到了第一次直接探測到引力波的頂峰，這是由於兩個巨大的黑洞合併而產生的，大約13億光年之遙。這兩個LIGO天文台以一種令人難以置信的方式完成了這一過程，探測到一種將整個地球壓縮到小於原子大小的波。

2015年在地球上第一次探測到太空中的「漣漪」，這是由強大的引力場擾動產生的。這標誌著諾貝爾獎歷史上科學發現與諾貝爾獎之間最短的時期之一，儘管LIGO在這方面做了40年。圖片：LIGO Scientific Collaboration, IPAC Communications & Education Team

當引力波穿過地球時有一個令人難以置信的數量，可以從探測到的信號中知道到它到干涉儀臂上有什麼現象原因：

1、膨脹的尺寸會使探測器臂加長

2、而垂直維度將收縮，導致另一個檢測器臂縮短

3、隨著波的振幅和周期與受激勵質量的質量和周期相對應

4、由宇宙擴張史決定的適當拉伸/紅移

5、我可以通過接收信號的大小來確定轉化為能量的質量

這一信息的提取方法是通過構成干涉儀的兩個垂直激光臂的相對運動。

簡化了的LIGO激光干涉儀系統的演示圖，當激光束聚集在一起時，就產生了一個干涉圖樣。隨著模式的改變提供了引力波的證據。圖片：LIGO collaboration

當光沿著這條長路徑傳播照到鏡子時並反射回來，光在旅程上花費的時間取決於路徑長度。微小的變化，即使是比單個原子還小的變化也會影響到飛行時間。經過一千次左右的反射後，每個垂直手臂的光被重新組合在一起，形成一個特定的干涉模式。如果光處於相位則會得到100%的建設性干擾；如果光處於非相位就會得到100%的破壞性干擾。這是模式的變化隨著時間的推移，從雜訊中提取出來，這使我們能夠精確地重建出什麼類型的引力波信號通過干涉儀了。

第一個對黑洞合併產生的時空擾動被直接觀察到。總的信號連同噪音(頂部)明顯與引力波模板相匹配，從合併和吸入一個特定質量的黑洞(中)。圖片版權：B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)

但這就是下一個重大飛躍的問題所在。

LIGO Hanford，LIGO Livingston和室女座探測器的位置。注意室女座離與另外兩個位置遠得多，這就能提供了更多關於引力波的來源的信息。圖片版權：NASA/Goddard Space Flight Center, Scientific Visualization Studio, Reto Stockli (NASA/GSFC)

今年早些時候義大利的室女探測器加入了兩個LIGO探測器已經開始運行了。是3 / 4的LIGO大小，它對引力波並不十分敏感，但隨著未來的改良它的靈敏度會提高，就像LIGO探測器一樣。但是室處女座與LIGO陣列相比較的一大優點是三重檢測能提供確定位置的信息。試想一下一個引力波（如下圖所示）穿過地球，但請記住當你想像這個的時候，室女座探測器離孿生LIGO探測器有多遠。

引力波在一個方向上傳播，在相互垂直的方向上交替擴張和壓縮空間，這是由引力波的偏振所引起的。圖片： M. P?ssel/Einstein Online

空間可能在兩個垂直方向上收縮和膨脹，但是探測器的響應量取決于波的方向。通過在地球的另一個地方添加第三個探測器，科學家們可以確定波從何而來，也可以測量它的偏振。通過測量探測儀中波的到達距離之間的時間檢測差異，可以更好地直接控制重力的速度，使之完全等於光速。但最好的進步來自於能夠找到波產生的宇宙點。這是與已經存在的兩個探測器同時使用第三個探測器的最大進展。

最初的室女座(綠色)和高級室女座(紫色)可以接觸到的空間體積。當一個波被一個探測器探測到，一個薄的球形外殼告訴你可能的位置，但是有三個獨立的球體和方向信息，位置約束是不可思議的。圖片：The VIRGO Collaboration

當一個引力波信號到達時可以測量武器的收縮和膨脹。波浪的振幅和頻率允許確定許多關於合併的性質，但不是在天空中發生的。基本上它可以讓科學家在探測器周圍繪製一個薄的球形外殼，並描繪出波的來源發生在這個範圍的某個地方。有了第二個探測器就會得到關於波的傳播方向的信息以及第二個薄薄的球體；在這兩個球體重疊的地方(通常沿一個寬的圓)回到波的方向，使能形成一個類似弧的約束。但是第三個探測器在增加第三個球體時，一般來說是在另外兩個的平面上只需得到一個單點就能確定其位置。

在這個銀河系的三維投影到一個透明的全球顯示三個證實黑洞合併事件的可能位置觀察到兩個LIGO detectors-GW150914(深綠色)GW151226(藍色)，GW170104(紅色)，第四個確認檢測(GW170814，亮綠色（左下)被處女座和LIGO探測器觀測到。同樣顯示(在橙色)中更低的意義事件LVT151012。圖片：LIGO/Virgo/Caltech/MIT/Leo Singer (Milky Way image: Axel Mellinger)

在接下來的幾年裡又有兩個探測器將建造完成——日本的KAGRA和印度的另一個LIGO探測器，這意味著我們在未來將會進行更精確的測量。現在科學家們已經直接看到了四個引力波事件，在識別它們的位置上變得越來越快，這意味著可以更快地執行光學和其他電磁跟蹤。如果我們開始將中子星與引力波探測器結合起來就會預期它們會有一個明顯的信號。

如圖所示兩顆中子星的合併會螺旋進入並發射引力波，但比黑洞更難探測。然而與黑洞不同的是會發出一個電磁信號，也許有一天能夠探測到並與引力波信號相關聯。圖片版權：Dana Berry / Skyworks Digital, Inc.

現在已經開始探索引力波天文學的時代，人類不僅僅是在以全新的方式看待天空，而是越來越善於看到它，學習探索解析我們看到東西。由於這些事件是短暫的，只存在很短的時間，現在只有一個機會來看待這些黑洞合併。但是隨著時間的推移，未來探測器不斷改進將繼續看到我們從未有過的宇宙。諾貝爾獎可能已經完成了研究，但真正的引力波天文學的成果仍然存在於巨大的宇宙森林之中。多虧了100多年愛因斯坦等科學家奠定的基礎，現在只不過是第一次採摘季節！

作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

來自：Forbes science

編譯：光量子

審校：博科園

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