用引力波窥探宇宙 还需找到这些源头

2019年05月30日08:44  来源:科技日报
 

寻找外星人,瑞典科学家想出了一个新办法。近日,瑞典哥德堡大学的科研团队发表论文探讨了外星人掌握制造引力波技术的可能性。他们称,其他先进的外星文明应该会考虑设置引力波发射器,而只要将欧洲航天局计划发射的激光干涉仪空间天线(LISA)引力波探测任务稍做调整,就可以将它变成能捕捉地外文明通信信号的探测器。

这种方法的可行性目前尚不可知。但自激光引力波天文台(LIGO)2015年首次探测到引力波以来,已探测到多次引力波事件,其中包括13次由双黑洞碰撞、2次由双中子星碰撞,以及疑似由黑洞和中子星碰撞产生的引力波。要通过引力波去寻找外星人,显然要对各种波源产生的引力波了然于胸才行。那么,目前人类已经发现了哪些类型的引力波源,还有哪些“隐身”波源有待探索?

确认十多例事件,验证理论预言

引力波是时空的涟漪,会在宇宙间留下踪迹。目前,已经现身的引力波源包括成对碰撞的黑洞、双中子星并合,以及疑似黑洞吞噬中子星。

LIGO于2015年9月14日第一次捕获的引力波源头正是一对相互碰撞的黑洞,“涉事”黑洞的质量约为太阳质量的30倍。LIGO的三位创始人也因发现引力波而荣膺2017年诺贝尔物理学奖。

中科院国家天文台研究员张承民解释道:“这一事件证明,运动的大质量天体的确可以撼动时空并产生引力波,这正如在1915年发表的爱因斯坦广义相对论所预测的那样。不仅如此,这一发现还证明,地球上的高精度实验可以探测到这些引力波——而爱因斯坦曾对此持怀疑态度。”

此外,科学家此前曾预言,一对中子星相互绕转碰撞,可能产生引力波。

张承民介绍,中子星是8—25倍太阳质量的大型恒星死亡后、在自身重力的作用下发生坍缩的产物,其密度大得惊人,相当于将全球人口置于人的手心。

2017年8月,LIGO-Virgo(欧洲室女座引力波探测器)团队捕获了第一个此类事件,并于今年4月25日再次得手。而且,通过分析引力波数据,科学家还揭示了中子星相互绕转碰撞的隐藏细节,包括撞击后产生了金、银和铂等贵金属元素。

另一种可以在时空中产生引力波的合并类似于我们在冰淇淋摊上看见的巧克力香草漩涡:一个黑洞和一个中子星合并成一个新黑洞。LIGO-Virgo团队可能于4月26日看到了这种合并的“蛛丝马迹”,但鉴于信号太弱,科学家们目前还无法对其盖棺论定。

张承民解释道,如果证实该信号的确代表了一个黑洞和一颗中子星相撞,那将证明这两种天体可以“比邻而居”。在合并之前,该黑洞和中子星曾经组成了一个紧密的二元系统,相互绕轨道运行,经历“千里共婵娟”的死亡之舞,最后一起踏入坟墓。

科学家们称,研究这样一个系统有助于梳理构成中子星内部所谓“核面食”的神秘物质。天体物理学家推测,恒星变成中子星时,密集的中子会以不同方式被推移和拉动,导致其形成各种形状。它们类似于不同种类的意大利面食,因此被统称为“核面食”。

张承民说,监控黑洞—中子星合并可以向我们展示,在黑洞的极端引力作用下,附近的中子星会如何变形瓦解,这也是与“核面食”行为有关的一个谜团。

寻找“隐身”波源,期待意外惊喜

而截至目前,还有包括中等质量黑洞的碰撞、凹凸不平的中子星、超新星爆发以及宇宙大爆炸等产生的引力波未被人类捕获,科学家们“为伊消得人憔悴”。

迄今为止,LIGO和Virgo探测到的所有黑洞均为恒星级质量,这意味着它们的“体重”通常不到太阳的100倍。而超大质量黑洞的“体重”一般是太阳质量的数百万或数十亿倍,但目前尚不清楚是否存在质量介于这两者之间的黑洞产生的引力波事件。以前的研究已经看到了这种中等质量黑洞的“蛛丝马迹”,但探测到其彼此相撞产生的引力波将是更明确的证据。

表面凹凸不平的中子星也是引力波科学家们向往的目标。2018年10月,美国和加拿大科学家在《物理评论快报》上撰文指出,“核面食”由于强度极高、密度极大,甚至可以堆叠成“山脉”,把部分中子星的外壳顶起来,在其表面形成凸起。在中子星快速旋转的过程中,这些凸起处理论上会导致引力波辐射。因此,探测到表面有凸起的中子星也成为科学家的目标。当然,与其他大多数引力波不同,表面有凸起的中子星将产生连续的引力波辐射。

此外,LIGO和Virgo也可以从超新星爆发过程中捕获引力波,超新星爆发是大质量恒星生命结束时的一种剧烈爆炸。

张承民表示,我们知道的是,在超新星爆发期间,恒星的中心会发生坍塌,由此产生的中子星从坍缩核的残余那里收集物质,中子星表面的涡流会使其像钟摆一样振动,发出引力波。

除此之外,宇宙大爆炸产生的引力波也是科学家们孜孜以求的目标。一旦探测到它就意味着能比以往任何时候都更深入地了解早期宇宙的历史,以及宇宙膨胀等。

当然,未来也有可能发现科学家们目前还不知道的引力波源。LIGO团队成员、美国西北大学的克里斯托弗·贝瑞说,每当研究人员以新的方式观察宇宙时,他们都会发现一些意料之外的东西,我们相信,探测引力波也是如此。

需要更好的技术,还需要点运气

为什么上述几种波源产生的引力波仍未现身呢?

张承民解释道,一方面与我们的技术本身未到位有关。比如,宇宙大爆炸产生的引力波可能会与其他物质产生的引力波混合在一起,“目前的探测器还无法‘揪出’宇宙大爆炸产生的引力波信号” 。

此外,纵观科学发展史,很多重大的发明,其实都是“运气”的偶然产物。比如,X光就是德国物理学家威廉·伦琴在实验室中研究阴极射线管的特性时偶然发现的。在寻找引力波源时,科学家们可能也需要更多的运气。

普林斯顿大学的天体物理学家戴维·拉迪斯及其同事在《天体物理学杂志快报》上报告说:“引力波、中微子和来自星系的超新星辐射可以让我们了解恒星的结构、以及驱使恒星爆发的机制。”

但问题在于,天文学家们不知道下一颗超新星何时爆发。拉迪斯说:“根据我们的估算,在银河系大小的星系中,每100年可能只有2次超新星爆发,所以我们需要非常幸运,或者非常有耐心。”

LIGO发言人、威斯康星大学密尔沃基分校的帕特里克·布雷迪说:“引力波天文学的时代已经到来,这个全新的宇宙窗口有望为我们提供一个独特的视角,来逐一揭开宇宙的神秘面纱。”

张承民说:“引力波还有很多谜团有待我们揭开,路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。”或许,这也是全球无数引力波科学家的心声。

(责编:赵春晓、吕骞)

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