引力波的首次直接探測 預計將於 2 月 11 日由高階雷射干涉儀引力波天文臺 (LIGO) 宣佈。 據說，研究人員使用 LIGO 的雙巨型探測器——一個在路易斯安那州利文斯頓，另一個在華盛頓州漢福德——測量了兩個黑洞碰撞產生的時空漣漪。
這樣的宣佈將證明阿爾伯特·愛因斯坦對引力波的預測是正確的，他幾乎在 100 年前就將其作為他的 廣義相對論的一部分提出——但這也將具有更深遠的意義。 作為時空結構中的振動，引力波通常與聲音進行比較，甚至已被轉換為 聲音 片段。 實際上，引力波望遠鏡使科學家能夠“聽到”現象，同時光基望遠鏡“看到”現象。（LIGO 及其位於義大利比薩的較小對應物 Virgo 的成員已經建立了一個系統，用於向從事其他型別望遠鏡的團體發出警報）。
當 LIGO 在 1990 年代初期爭取美國政府資助時，其在國會聽證會上的主要反對者是天文學家。“普遍的觀點是 LIGO 與天文學沒有太大關係，”佛羅里達大學蓋恩斯維爾分校的廣義相對論理論家、LIGO 的早期支持者克利福德·威爾說。 但他說，現在情況已經發生了變化。
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LIGO 預計將於週四宣佈的訊號 據傳是由兩個合併的黑洞產生的。 這種事件是已知能量最高的； 它們發出的引力波的功率可以在短時間內與整個可觀測宇宙中所有恆星的功率總和相媲美。黑洞合併 也是最容易解釋的引力波訊號之一。
當兩個黑洞開始相互螺旋靠近時，就會發生黑洞合併，以引力波的形式輻射能量。 這些波應該具有 一種稱為啁啾聲的特徵聲音，可用於測量兩個物體的質量。 接下來，黑洞實際上融合了。“這就像你得到兩個肥皂泡，它們靠得如此之近以至於形成一個泡泡。 最初，較大的氣泡會變形，”巴黎附近高等科學研究所的引力理論家蒂博·達穆爾說。 生成的單個黑洞將穩定成完美的球形，但首先預計會以稱為鈴振模式輻射引力波。
探測到黑洞合併最重要的科學結果之一將是確認黑洞確實存在——至少是廣義相對論預測的由純粹、空曠、扭曲的時空構成的完美圓形物體。 另一個結果是合併按照預測進行。 天文學家已經掌握了大量關於這些現象的間接證據，但到目前為止，這些證據來自對繞黑洞執行的恆星和過熱氣體的觀測，而不是對黑洞本身的觀測。
“包括我自己在內的科學界，對黑洞變得非常冷淡。 我們認為它們是理所當然的，”新澤西州普林斯頓大學廣義相對論模擬專家弗朗斯·普雷托里烏斯說。 “但如果你想想這是一個多麼令人震驚的預測，我們真的需要令人震驚的證據。”
引力波以光速傳播嗎？
當科學家開始將 LIGO 的觀測結果與其他型別望遠鏡的觀測結果進行比較時，他們首先要檢查的事情之一是訊號是否同時到達。 物理學家假設引力是由稱為引力子的粒子傳遞的，引力子是光子的引力類似物。 如果像光子一樣，這些粒子沒有質量，那麼引力波將以光速傳播，這與經典廣義相對論中引力波速度的預測相符。（它們的速度會受到宇宙加速膨脹的影響，但這應該只在遠大於 LIGO 可以探測的距離上顯現出來）。
但是， 引力子有可能具有微小的質量，這意味著引力波的傳播速度將低於光速。 因此，如果 LIGO 和 Virgo 探測到來自宇宙事件的引力波，並發現波到達地球的時間比傳統望遠鏡探測到的相關 γ 射線爆發稍長，那麼這可能會對基礎物理學產生重大影響。
時空是由宇宙弦構成的嗎？
如果探測到來自“宇宙弦”的引力波爆發，那將是一個更奇怪的發現。 這些時空曲率的假設缺陷可能與弦理論相關，也可能不相關，它們將無限細，但會跨越宇宙距離。 研究人員預測，宇宙弦如果存在，可能會偶爾出現扭結； 如果絃斷裂，它會突然釋放出引力波爆發，LIGO 和 Virgo 等探測器可以測量到。
中子星堅固嗎？
中子星是較大恆星在自身重量下坍縮的殘餘物，變得非常緻密，以至於它們 將其組成的電子和質子推到融合為中子。 人們對它們的極端物理學知之甚少，但引力波可以提供獨特的見解。 例如，它們表面強烈的引力傾向於使中子星幾乎呈完美的球形。 但一些研究人員推測，可能仍然存在“山脈”——最多幾毫米高——這使得這些直徑約 10 公里的緻密物體略微不對稱。 中子星通常旋轉得非常快，因此質量的不對稱分佈會使時空變形，併產生正弦波形狀的連續引力波訊號，這將輻射能量並減慢恆星的自轉速度。
相互繞行的中子星對也將產生連續訊號。 就像黑洞一樣，恆星會相互螺旋靠近並最終合併，有時會產生可聽見的啁啾聲。 但它們的最後時刻將與黑洞的最後時刻截然不同。“根據質量和中子緻密物質可以施加多少壓力，您會發現各種可能性，”普雷托里烏斯說。 例如，由此產生的合併恆星可能是一顆巨大的中子星，或者它可能立即坍縮並變成黑洞。
是什麼讓恆星爆炸？
當大質量恆星停止發光並向自身坍縮時，就會形成黑洞和中子星。 天體物理學家認為，這個過程是 常見型別的超新星爆炸（稱為 II 型超新星）的動力來源。 此類超新星的模擬尚未清楚地解釋是什麼點燃了它們，但傾聽真實超新星預計產生的引力波爆發可能有助於提供答案。 根據爆發的波形、爆發的響度、爆發的頻率以及它們與電磁望遠鏡看到的超新星的相關性，這些資料可能有助於驗證或否定各種現有模型。
仙后座 A，超新星遺蹟。
美國宇航局/CXC/SAO
宇宙膨脹有多快？
宇宙的 膨脹 意味著遠離我們星系的遙遠物體看起來比實際更紅，因為它們發出的光在傳播過程中會被拉伸。 宇宙學家透過將星系的紅移與星系離我們的距離進行比較來估計宇宙的膨脹速度。 但該距離通常是透過“Ia 型”超新星的亮度來衡量的——這種技術會留下很大的不確定性。
如果世界各地的幾個引力波探測器探測到來自同一中子星合併的訊號，它們將能夠共同提供對訊號絕對響度的估計，這將揭示合併發生的距離。 它們還將能夠估計訊號的來源方向； 然後天文學家可以推斷出哪個星系託管了合併。 將該星系的紅移與透過引力波響度測量的合併距離進行比較，可以提供對宇宙膨脹率的獨立估計，可能比當前方法更準確。
本文經許可轉載，並於 2016 年 2 月 9 日首次發表。