引力波讓我們對宇宙另眼相待
圖片來源：T. Pyle/加州理工/麻省理工學院/激光干涉引力波天文臺（LIGO）實驗室
試想一下，若你只見過雲彩，卻未曾見過天空中的太陽，月亮，行星和恆星。沒有蓬鬆的白色映襯在藍天下，有的只是大塊的深灰色層雲，這是一個沉悶的冬天的標誌。冬天的雲只會持續數週，最糟糕也不過數月，但是這樣的層雲在整個人類歷史中卻一直如此。有人想出了一種方法，可以使雲層在某個夜晚分裂一小段時間，並且讓我們能夠匆匆瞥一眼我們大氣層之外的宇宙。想象一下，只有一個點在發光，可能是一個行星，上面的細節令人難以置信：光環，條紋，色彩，甚至可能還有衛星。從這一刻起，你的宇宙觀將發生多大的改變？現在已經有了結果-激光干涉引力波天文臺（LIGO）的協作確實已經檢測到了兩個合併的黑洞的引力波-我們可以確信，在天文學上真的有這樣的時刻。
圖片來源：LIGO宣佈發現了引力波的新聞發佈會的屏幕截圖
愛因斯坦最偉大的成就，同時也是最古老的未經證實的預言，即廣義相對論，首次成功地經受住了考驗。大約13億光年外的一個遙遠星系中的兩個黑洞，它們在宇宙的死亡螺旋中繞著彼此旋轉，發散引力能量直到它們最終合併，通過E = mc ^ 2以引力波的形式，將3個太陽質量般大小的物質釋放到其本身的空間結構中的波紋中。這些波通過宇宙向外傳播，永遠以光速在進行無止境的傳播，使所有經過的物體或壓縮或膨脹，就像一個壁球在一個方向，在垂直方向以及別的方向被擠壓一樣。
像LIGO那樣的實驗不是我們可以製造的唯一的引力波探測器，合併黑洞並不是我們可以探測到的唯一事物，更寬泛地說，天體並不是我們可以通過引力輻射來了解的唯一事物！ 我們之所以看到振奮人心的黑洞，首先是因為LIGO是我們能建造的最便宜的引力波探測器，而且LIGO能觀測到宇宙產生的這些波，LIGO對這些波很敏感。但實際上，我們有各種各樣的東西要尋找，它們分為四個不同的類別。
圖片來源：美國國家航空航天局，來自兩個中子星的旋近和合並；只作說明
1.）緻密，超快速移動的天體。這包括LIGO觀測到的類型，即合併的小（小於1000太陽質量）黑洞。合併中子星，單個脈衝星以及主要的兩大變種的超新星也會產生引力波。LIGO最先會觀測的是質量更大及質量相等的黑洞，並且預計每年觀測到少數黑洞。要知道，該探測器直至2015年9月才開始運行，而在2015年9月14日就發出了該信號。在未來幾年中，可能會有更多的黑洞合併，尤其是隨著LIGO靈敏度的提高以及其搜索範圍進一步擴大到更遙遠的深空宇宙。決定該範圍內有哪些天體的重要因素是它們的頻率或這些天體每秒發射出多少次波。LIGO可以探測到1到10000 赫茲左右的天體，也就是那些每秒發射出不止一次波的天體！
圖片來源：X射線：美國國家航空航天局/麻省大學/王博士等人，紅外線：美國國家航空航天局/太空望遠鏡科學研究所：位於銀河系中心的超大質量的黑洞人馬座A *
2.）更慢亦或是更重的天體。它們的場強不如LIGO看到的天體強，但是在宇宙中還有更多這樣的天體待我們去發現。幾乎每個星系（包括我們自己的星系）的中心都有一個超大質量的黑洞，其內部是太陽質量的百萬倍甚至更多。懸臂比地球還大的探測器（例如LISA（或eLISA）這樣的巨型太空天線）可以定位到這些天體。雙星，白矮星雙星，吞噬其他天體的超大質量黑洞以及質量極不均勻的合併黑洞都會發射出更低頻率的引力波，它們需要幾分鐘，幾小時甚至幾天的時間才能發射出引力波。我們無法通過LIGO看到它們，但是更大的空間干涉儀能感知到它們。如果美國國家航空航天局決定投資（即使他們不投資，歐洲空間局也會投資），我們就能在21世紀30年代的某個時候為這些天體安裝首個探測器。
圖片來源：蒙特卡布里爾（Montcabrer）天文臺的雷曼·納維斯Ramon Naves
3.）超大質量黑洞的軌道與合併。聽說過類星體或活躍的銀河核嗎？位於活躍星系核心的數十億個太陽質量大小的黑洞必須以某種方式變得很大，這很可能來自巨大的合併。甚至還有一個這樣的黑洞，OJ 287，其中有一個1億太陽質量的黑洞繞著一個180億太陽質量的黑洞運轉，不用說，它們必定會發射出大量的引力波。它們的軌道週期大約是幾年，並伴隨著相應的令人難以置信的低頻。對於此，常規的激光探測器並沒有什麼用，但是使用脈衝星陣列，並查看其時間節點如何受到影響，則可以解決此問題。這是北美納赫茲引力波觀測站（NANOgrav）合力的一些事，但剛剛起步，將在未來幾十年內實現。
圖片來源：國家科學基金會（美國國家航空航天局，噴氣推進實驗室，凱棵基金會，摩爾基金會等）-BICEP2計劃資助
4.）來自大爆炸的遺物引力波輻射。為什麼要停止研究天體物理源呢？這些來自宇宙誕生時候的波動會在大爆炸的餘光的偏振中顯現出來，我們現在也正在尋找！您一定記得，BICEP2在2014年宣佈發現了這些電波，卻把發現的我們自己星系的前景塵埃錯當成了該偏振信號。但是這些引力波應該是存在的，並且在所有頻率下都應該是存在的。根據我們發現的這些波的振幅和頻譜，我們很有可能準確地重建最早時期的宇宙以及宇宙膨脹後的末日真實景象。
另外，來源於這些的不僅僅是引力波，這些來源中的每一部分都很可能可以告知我們關於宇宙的許多知識。沒錯，這涉及天體物理學，但是我們越能敏銳地估量這些事物，我們學到的東西就會越多：
每一個這些類源發出的引力波類型，
通過引力波觀察到的合併，超新星爆發和其他災難性事件的關鍵時刻和最後時刻的物理學，
及在高靈敏度下可能尋找到的與廣義相對論水火不相容的量子引力效應。
擬議中的未來觀測任務希望在靈敏度方面超過上述所有任務，例如美國國家航空航天局的大爆炸觀察者，與任何其他擬議任務相比，它將探測1、2和4類別中的所有源，以提高準確性。一排軌道靠近地球的6個干涉儀，L4和L5拉格朗日點上各有三個，可以將我們對LISA和LIGO的靈敏度提高許多數量級，從而使我們能夠直接測量宇宙膨脹產生的剩餘引力波。
圖片來源：麻省理工學院的格雷戈裡·哈里（Gregory Harry），2009年LIGO研討會，LIGO-G0900426
此外，如果能將光學天文學與引力波天文學聯繫起來，這將給我們提供同一天體的多角度視圖，使我們對宇宙有了更多的瞭解。您可能想知道兩個合併的黑洞是否會發出某種電磁輻射，例如伽馬射線？
關於引力輻射，即使我們只知道其中一事，在LIGO信號發出後僅0.4秒（！），美國國家航空航天局的費米衛星就探測到了伽馬射線爆發，這是一個非常可疑的巧合。當我們啟動並運行三個或四個引力波探測器（除了兩個LIGO探測器之外，還有VIRGO和CLIO）時，我們可以更好地鎖定這些輻射源的位置，也許可以一勞永逸地發現這些黑洞合併產生了什麼樣的電磁輻射。
伽馬射線快速爆發的圖示，以前僅被認為是中子星合併產生的。圖片來源：歐南臺
我們正處於以全新方式敞開宇宙的前沿。LIGO於9月14日探測到的事件無疑只是大量新數據湧入的開端，它將以前所未有的能量形式向我們介紹有關宇宙的知識。現在是時候迎接這種新形式的天文學，並以前所未有的方式打開我們對宇宙的認識視角。對於任何好奇的頭腦來說，這都是一個難以置信的時刻。
1.維基百科全書
2.天文學名詞
3. Ethan Siegel-柒月未央
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