LIGO正在寻找这8个引力波源_风闻

原创：牧夫天文

翻译：汪荣鑫

校译：陈艳玲 华子乾 陆寅枫 田程偲 

编排：胡暖暖

原文链接：

https://www.sciencenews.org/article/ligo-virgo-searching-sources-gravitational-waves

天文学家仍然希望能够捕获超新星和表面粗糙的中子星的引力波

使用LIGO和Virgo天文台的物理学家正在捕捉各种宇宙碰撞，包括成对的中子星（图示）。但是科学家们希望能够找到更多样的引力波来源。

NASA’S GODDARD SPACE FLIGHT CENTER/CI LAB

引力波探测器正在参加一场宇宙级的寻宝活动。

自从2015年升级后的LIGO开启以来，物理学家们已经从几种奇异的引力来源中捕获了这些时空涟漪——但科学家们仍然想要更多样的引力波来源。

本周，LIGO及其合作伙伴天文台Virgo在一个月内宣布了五次可能的新引力波探测信号，这使得曾经需要数十年努力的目标现在几乎变得司空见惯。

“引力波天文学方兴未艾，”威斯康星大学密尔沃基分校的LIGO发言人Patrick Brady在5月2日的新闻发布会上说：“就像打开一个关于宇宙的新窗口，引力波有望为我们提供一个全新的视角观察宇宙。”

引力波信号的特征使天文学家能够弄清楚它的来源。以下是科学家已经确认的，以及他们希望找到的8个引力波来源。

1.黑洞合并

状态：已发现

LIGO第一个捕获的信号来自一对碰撞的黑洞，每个黑洞的质量大约是太阳质量的30倍。该实验在2015年9月14日，正式开始使用新升级的LIGO进行观测的前四天检测到合并黑洞的引力波。

第一个发现证明，大型的移动物体实际上确实可以震荡时空来产生引力波，正如爱因斯坦在一个世纪前所预测的那样。不仅如此，这一发现证明了地球上的实验可以探测到这些波，而爱因斯坦则对此持怀疑态度。LIGO的三位创始人在2017年获得了诺贝尔物理学奖。

总的来说，LIGO和Virgo已经从10对确认的碰撞黑洞中检测到了引力波，另外还有3个候选目标在上个月被记录。

2.中子星合并

状态：已发现

据认为，一对合并的中子星，即在超新星中死亡的大质量恒星的致密尸体，也可能引发引力波。然后，在2017年8月，LIGO-Virgo团队抓住了第一个这样的事件的实例，并在今年4月25日发现了第二个事件。

各电磁波段望远镜的后续观察揭示了第一次中子星碰撞的隐藏细节，例如这样的碰撞会产生贵金属元素，如金，银和铂金。

3.中子星与黑洞合并

状态：可能已发现

另一种可以在时空中产生涟漪的合并类似于巧克力香草冰淇淋：一个黑洞和一个中子星合并成一个物体。LIGO在4月26日看到了这种合并的可能标志，但信号太弱，科学家无法确定。

如果团队确认该信号确实代表了一个黑洞和中子星漩涡，那将证明这两种物体可以共同生存。在合并之前，黑洞和中子星必须在一个紧密的二元系统中相互绕轨道运行。

伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的LIGO团队成员Christopher Berry说：“如果这一现象不存在，我们会感到惊讶，但我们确实还没有发现过这一现象。”

研究这样一个系统可以帮助我们了解构成中子星的神秘物质核面团[注：核面团只存在与中子星内部，由于高密度环境将物质挤压成像意大利面一样的状态，这种状态可能限制了中子星的最高自转速度。]。“中子星有点像巨大的原子核，它与我们在地球上创造的东西完全不同，”贝瑞说。在2017年发现的中子星合并给出了中子星组成的一些细节，包括它们的最大质量和被压扁的程度。黑洞-中子星合并可以显示中子星如何在黑洞的极端重力附近变形，这是关于核面团的另一个难题。

来自LIGO和Virgo实验的科学家们可能已经从一个全新的来源发现了时空涟漪：一颗融合着黑洞的中子星（图为计算机模拟图像）。

F. FOUCART/UNH AND SXS COLLABORATION/CLASSICAL AND QUANTUM GRAVITY 2017

4.中等质量黑洞碰撞

状态：尚未发现

到目前为止，LIGO和Virgo检测到的所有黑洞都是恒星质量，这意味着它们的重量通常不到太阳质量的100倍。物理学家也知道存在重量是太阳质量的数百万或数十亿倍的超大质量黑洞。但目前尚不清楚是否存在中等质量的黑洞。

意大利特兰托大学的Virgo团队成员Giovanni Andrea Prodi在5月2日的新闻发布会上说，这种中等质量的黑洞“可能是恒星质量黑洞与星系中心超大质量黑洞之间的过渡”。

以前的研究已经发现了这种中量级黑洞的线索，但是用引力波探测到的碰撞将是更明确的证明。如果它们不存在，“那真的很有趣，”贝瑞说，因为这意味着超大质量黑洞必须比物理学家能解释的更大。

5.表面粗糙的中子星

状态：尚未发现

另一种探索中子星神秘核面团秘密的方法是在其表面探测微型“山脉”。所有加速的大质量物体都会产生引力波，但大多数都太微弱而无法探测到。物理学家认为，一颗略有缺陷，例如一个高达一毫米的凸起的孤立中子星，会在旋转时发出可探测到的引力波。这样的波可以帮助说明中子星材料的被压扁的程度，以便支撑凸起。

与大多数其他来源不同，表面粗糙的中子星将产生连续的引力波，被LIGO视为恒定的“嗡嗡声”。

6.超新星爆炸

状态：尚未发现

LIGO和Virgo也可以从超新星爆炸中获取引力波，超新星发射出许多类型的光和粒子，包括称为中微子的幽灵亚原子粒子，它们出生在爆炸的中心深处。

天文学家在1987年看到附近的一颗超新星，当时一颗恒星在附近的大麦哲伦云中爆炸（如图所示，来自NASA’s Kuiper Airborne Observatory）。有朝一日，科学家们可以利用引力波天文台观测并了解超新星爆炸。

NASA’S AMES RESEARCH CENTER

7.大爆炸引发的波浪

状态：尚未发现

物理学家们预计应存在来自宇宙各处的许多小引力波一直撞击地球。这些小引力波构成了引力波的随机背景，就像在拥挤的房间里混杂的声音。

物理学家认为至少有一些声音来自宇宙大爆炸。探测大爆炸本身产生的遗留的引力波意味着要比以往任何时候都更深入地了解宇宙的历史。但是，很难把这些这种信号从噪音中梳理出来。

Berry说：“我们现在还没有足够灵敏的仪器，如果有，我们就能分辨每一个独立的声音。”

8.新来源？

状态：尚未发现

探测器仍有可能从科学家无法识别的来源捕获引力波。每当研究人员以新的方式观察宇宙时，他们就会发现一些他们没有预测到的东西。“现在我们正在研究引力波，一种完全不同的辐射，”Berry说：“认为我们知道一切可有点傲慢。”

在短短一个月内，科学家们已经发现了5个可能的引力波事件，这里绘制的是它们与地球近似距离。与之前所有观测结果中的11个事件相比较。大多数事件来自黑洞合并（黑色），但中子星合并（红色）也在其中。一个事件（黄色）可能是黑洞和中子星之间的合并。

E. OTWELL, T. TIBBITTS

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空间站上看到的日落来自宇航员Alexander Gerst