24.7: 引力波天文学
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爱因斯坦关于引力的另一部分观念可以作为检验黑洞基础理论的一种方式来检验。 根据广义相对论，时空的几何形状取决于物质的位置。 任何物质的重排，比如从球体到香肠的形状，都会对时空造成干扰。 这种干扰被称为引力波，相对论预测它应该以光速向外扩散。 尝试研究此类波的最大问题是它们比电磁波弱得多，因此很难探测。
来自脉冲星的证据
一段时间以来，我们有间接证据表明存在引力波。 1974年，天文学家约瑟夫·泰勒和罗素·赫尔斯发现了一颗绕另一颗中子星运行的脉冲星（名称为PSR1913+16）。 在同伴的强大重力的推动下，脉冲星在轨道上以大约十分之一的光速移动。
根据广义相对论，这种恒星尸体系统应该以足够高的速度以引力波的形式辐射能量，使脉冲星及其同伴螺旋得更近。 如果这是正确的，那么每个轨道的轨道周期应（根据开普勒第三定律）减少一千万分之一秒。 持续的观察表明，这段时间正好缩短了这个数额。 系统中的这种能量损失只能是由于引力波的辐射造成的，从而证实了它们的存在。 泰勒和赫尔斯因这项工作分享了1993年诺贝尔物理学奖。
直接观察
尽管这样的间接证据使物理学家确信引力波的存在，但直接探测引力波更令人满意。 我们需要的是足够强大的现象，足以产生振幅足够大的引力波，我们可以对其进行测量。 理论计算表明，一些最有可能的事件会产生足够强的引力波爆发，以至于我们在地球上的设备可以对其进行测量：
- 两颗中子星在二进制系统中的聚合，它们螺旋在一起直到它们合并
- 被黑洞吞下中子星
- 两个黑洞的合并（合并）
- 一颗非常大的恒星内爆形成中子星或黑洞
- 这是时空诞生和宇宙开始时的第一个 “颤抖”
在过去的四十年中，科学家们一直在开发一项大胆的实验，试图从该清单上的来源探测引力波。 美国实验由来自英国、德国、澳大利亚和其他国家的合作者共同建造，被命名为LIGO（激光干涉仪引力波天文台）。 LIGO目前有两个观测站，一个在路易斯安那州，另一个在华盛顿州。 引力波的影响非常小，以至于确认其探测需要两个相距很大的设施同时进行测量。 可能在观测站内引起微小运动并模仿引力波的局部事件（例如小地震、海潮甚至交通）对这两个地点的影响应该有所不同。
每个 LIGO 站都由两根长 4 千米、直径 1.2 米的真空管组成，以 L 形排列。 上面有镜子的测试物被电线悬挂在管道的四端各处。 超稳定的激光从镜子反射出来，沿着真空管来回传播（\(\PageIndex{1}\)图 如果引力波通过 LIGO 仪器，那么，根据爱因斯坦的理论，这些波浪将影响局部时空——它们会交替拉伸和缩小激光在镜子之间必须传播的距离。 当仪器的一只手臂变长时，另一只手臂会变短，反之亦然。
这个实验的挑战在于 “稍微一点” 这句话。 实际上，要探测引力波，必须以质子直径的万分之一的精度测量到反射镜距离的变化。 1972年，麻省理工学院的雷纳·魏斯写了一篇论文，建议如何完成这项看似不可能完成的任务。
必须开发大量新技术，在国家科学基金会的资助下，实验室的工作始于1979年。 2002 年至 2010 年建造并运行了演示该技术的全尺寸原型机，但预计该原型的灵敏度无法达到实际探测来自天文源的引力波所需的灵敏度。 Advanced LIGO 采用原型中开发的改进技术，精度更高，于 2015 年投入使用，几乎立即检测到了引力波。
LIGO 发现的是在两个黑洞合并的最后不到一秒钟内产生的引力波（图\(\PageIndex{2}\)）。 黑洞的质量是太阳质量的20倍和36倍，合并发生在13亿年前。引力波发生在很远的地方，以至于它们以光速传播花了很长时间才到达我们。
在合并的灾难中，大约有三倍的太阳质量被转化为能量（召回 E = mc 2）。 在合并发生的不到一秒钟的时间内，该事件产生的能量大约是整个可见宇宙中所有恒星产生的能量的10倍，但力量全部以引力波的形式出现，因此除了 LIGO 之外，我们的仪器看不见。 该事件是在华盛顿探测前大约 7 毫秒在路易斯安那州记录的，考虑到引力波的传播速度，距离恰到好处，这表明源位于南半球天空的某个地方。 不幸的是，两个黑洞的合并预计不会产生任何光明，因此这是我们对事件的唯一观察。
LIGO的这次发现（以及几个月后又一次黑洞合并）为宇宙打开了一个全新的窗口。 其中一位实验者将引力波天文学的开始与无声电影被有声电影取代的时代进行了比较（将引力波传递期间的时空振动与声音产生的振动进行比较）。
到2018年底，LIGO又发现了八起黑洞合并。 其中六个，就像最初的发现一样，涉及黑洞与一系列只有引力波才能观察到的质量的合并。 在一次合并中，质量为太阳质量的31倍和25倍的黑洞合并形成了一个旋转的黑洞，其质量约为太阳的53倍。 其中一些事件不仅被两个 LIGO 探测器探测到，而且还被新投入运行的欧洲引力波观测站处女座探测到了。 另一个事件是由40和29个太阳质量的黑洞合并引起的，导致了一个66质量的黑洞。 天文学家还不确定这个质量范围内的黑洞是如何形成的。
LIGO发现的另外两个合并涉及黑洞，其恒星质量与X射线二进制系统中的黑洞质量相当。 在一个案例中，合并的黑洞的质量是太阳质量的14倍和8倍。 另一个事件再次被 LIGO 和 Virgo 发现，是由质量为太阳质量的 7 倍和 12 倍的黑洞合并而产生的。 除了引力波之外，没有以任何其他方式发现黑洞的合并。 黑洞的合并很可能不会产生任何电磁辐射。
2017年底，来自所有三个引力波天文台的数据被用来定位第五个事件在天空中的位置，该事件是由质量为太阳质量1.1至1.6倍的物体合并而产生的。 这是中子星的质量范围（参见《银河系》），所以在这种情况下，观察到的是两颗中子星的螺旋式上升。 从所有三个天文台获得的数据使科学家能够缩小事件发生的天空区域。 费米卫星提供了第四组观测数据，同时探测了伽玛射线的闪光，这证实了长期以来的假设，即中子星的合并是短伽玛射线爆发的祖先（见《伽玛射线爆发之谜》）。 斯威夫特卫星还同时在天空的同一部分探测到紫外线闪光。 这是第一次用任何类型的电磁波探测到引力波事件。
来自LIGO、Virgo、Fermi和 Swift 的综合观测结果表明，该源位于NGC 4993，这是一个朝九头蛇星座方向距离约1.3亿光年的星系。 有了明确的位置，地面观测站就可以将其望远镜直接对准源头并获得其光谱。 这些观察结果表明，合并喷出的物质质量约为太阳质量的6％，速度为光速的十分之一。 正如千诺瓦斯理论（参见短期伽玛射线爆发：碰撞恒星尸体）所预测的那样，这种材料富含重元素。 初步估计表明，此次合并产生了大约200个地球质量的黄金和大约500个地球质量的铂金。 这清楚地表明，中子星合并是重元素的重要来源。 随着对此类事件的更多探测提高了对中子星合并频率的理论估计，很可能证明绝大多数重元素都是在此类大灾变中产生的。
通过引力波观察黑洞的合并也意味着我们现在可以检验爱因斯坦的广义相对论，其影响非常强——接近黑洞——而不是像它们靠近地球那样微弱。 这些探测的一个显著结果是，测量的信号与使用爱因斯坦理论做出的理论预测非常接近。 爱因斯坦的革命思想再次被发现是对自然的正确描述。
由于观测引力波的科学意义，三位LIGO项目负责人——麻省理工学院的雷纳·魏斯和加州理工学院的基普·索恩和巴里·巴里什——在2017年获得了诺贝尔奖。
其他国家正在建设几个类似于LIGO和Virgo的设施，以促进引力波天文学，并帮助我们更精确地确定我们在天空中探测到的信号的位置。 欧洲航天局（ESA）正在探索建造一个更大的太空引力波探测器的可能性。 目标是在2030年代中期的某个时候启动一个名为eLisa的设施。 该设计要求使用三个探测器臂，每个臂的长度为一百万千米，以便激光在太空中传播。 这个设施可以探测到遥远的超大质量黑洞的合并，这可能是在宇宙大爆炸仅几亿年后第一代恒星形成时发生的。
2015年12月，欧空局推出了LISA Pathfinder，并成功测试了将两个金铂金立方体相对于彼此保持失重、完美休息状态所需的技术。 虽然 LISA Pathfinder 无法探测到引力波，但如果 eLisa 要能够检测通过引力波所产生的路径长度的微小变化，就需要这样的稳定性。
最后，我们应该承认，本章中讨论的想法可能看起来很奇怪而且让人不知所措，尤其是在你第一次阅读它们时。 相对而言，一般理论的后果需要一些时间来适应。 但是它们使宇宙比你上这门课程之前想象的更加奇怪和有趣。
关键概念和摘要
广义相对论预测，空间中物质的重排应该会产生引力波。 这种波的存在首先是在对脉冲星绕另一颗中子星运行的观测中得到证实，该中子星的轨道正在螺旋靠近，并以引力波的形式损失能量。 2015 年，LIGO 通过探测两个恒星质量黑洞合并产生的信号直接发现了引力波，打开了了解宇宙的新窗口。
词汇表
- 引力波
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物质分布方式变化引起的时空曲率干扰；引力波以（或接近）光速传播