在这片涟漪里,藏着时空的秘密。引力波是由像中子星、黑洞这样极端的物体才能够产生的,但事实却并非如此。任何具有质量的物体,在加速时都会产生引力波。这包括你、我、车、飞机等等,只不过我们在地球上产生的引力波实在是太小了,根本无法被探测到。引力波在空间中传播的方式,类似于光或声音在空气中的传播方式。
引力波谱就像电磁波一样,引力波也是由许多不同的物体以不同的频率所辐射出来的。像LIGO(激光干涉引力波天文台)和Virgo(室女座引力波天文台)这样的地基干涉仪,只对一小部分的频率敏感,这就限制了它们能够“看到”某些特定宇宙现象的能力。例如,它们无法探测到在星系中央的超大质量黑洞的碰撞。但是,天基的干涉仪和其它捕捉引力波的方法却可以扩大物理学家的研究范围。
在宇宙中,脉冲星、超新星、双中子星、双黑洞、被超大质量黑洞捕获的致密星、双超大质量黑洞的合并都可以辐射出引力波。不同的探测器只能探测到特定频率范围的现象。上图中我们可以看到四种不同的探测器类型:地基干涉仪(400 - 30赫兹)、天基干涉仪(100 - 0.1毫赫兹)、脉冲星计时(320 - 1纳赫兹)、CMB测量(10-13 - 10-16赫兹)。
对于一个还不到三年的研究领域而言,引力波的相关进展早已超越了预期。但这仅仅只是开始。引力波正慢慢地为我们揭晓更多关于宇宙的秘密。1980年代中期,物理学家Bernard Schutz想到了一种新的方法来解决天文学中最古老的问题之一:如何测量遥远天体的距离。Schutz意识到,或许引力波能够为我们提供答案。试想一下,在遥远的深空中,当两颗黑洞或两颗中子星相互合并时,它们便会产生引力波。
当引力波的信号抵达地球并被探测器接收时,频率和频率的变化率提供了关于黑洞或中子星的质量的信息。有了这个信息,物理学家就可以推断引力波在波源的强度。通过测量引力波到达地球上的探测器时的强度,科学家就可以估算出引力波从波源到地球的距离。因此Schutz预测,引力波或许能够用来测量宇宙膨胀的速度。
那时,Schutz的想法可以说是非常优美然而却是不切实际的,因为当时根本没有人能探测到引力波。直到2017年,两颗中子星合并辐射出的引力波(该事件被称为“GW170817”),在传播了1.3亿年后抵达地球,Schutz的想法才终于得以照进现实。GW170817之所以特别是因为它同时释放出了引力波和光,这使它成为了测量哈勃常数——描述了宇宙的膨胀速率——的全新工具。
随着未来将收集到的越来越多的数据,引力波将进一步揭开许多其他的秘密。例如,引力波可以帮助我们:检验爱因斯坦的广义相对论、寻找额外维度、探索中子星的内部、揭开双黑洞的起源之谜等等其他重大问题。我们甚至可以期待引力波将为我们提供关于发生在宇宙大爆炸后的一些细节。不久后,LIGO和Virgo将再次重启,开始收集数据。下一个重大发现很可能来自一颗正在坍缩的恒星释放出的信号。
但我们更加期待看到那些我们从未想过的事情。