时空之声

通过 克雷格·霍根(Craig Hogan)

在宇宙中最大的事件中,巨大的黑洞与a和环碰撞。物理学家正在寻找收听的方法。

天文学 物理

当前的问题

这篇文章从发行

2006年11月至12月

第94卷第6号
第534页

DOI: 10.1511 / 2006.62.534

在古代和现代人共有的所有习惯中,注视可能是最宁静的。当我们抬头望望晴朗的夜空,或观看哈勃太空望远镜拍摄的美丽美丽的恒星和星系图片时,我们进入震撼世界,并进入一个神秘的境界,拥有一个古老的大教堂或一座大型美术馆的神圣静寂。我们几乎觉得我们应该保持低声,关闭手机是出于尊重。

图片由NASA克里斯托弗·亨泽(Christopher Henze)提供。

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那么,当您静静地欣赏一片漆黑的星空时,突然听到星空发出各种疯狂的声音时,您会感觉如何?

在最初被您的诗意遐想震撼的震撼之后,我想您会发现宇宙感觉到更加直接,即时,真实和生动。远处看到闪电是一回事,滚滚雷声撼动着另一件事。听宇宙更像是触摸而不是看。令人高兴的是,天文学家正在寻找做到这一点的方法-感受并看到我们周围的活跃宇宙。

爱因斯坦的时空理论告诉我们,真实的宇宙不是沉默的,而是实际上充满振动的能量。时空的振动充满了质感和音色,就像热带雨林中的声音或瓦格纳歌剧的压轴一样丰富多样。只是我们还没有听到这些声音。宇宙是一种音乐,我们一直以来都在看这部无声电影。

时空振动

宇宙的声音不是我们的耳朵所感觉到的熟悉的声音,它是由空气中的振动所携带的。太空是近乎完美的真空,普通声音仅在有振动的地方传播。这就是为什么我们对宇宙远离太阳系,从科学天文学到现在的直接了解几乎完全来自研究一种形式的能量:光的原因之一。正如詹姆士·克莱克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)在19世纪所展示的那样,光是电场和磁场中以光速传播通过空间的振动的另一个名字。

(为公平起见,我们在这里不应该忘记远方的其他信使-宇宙射线,中微子,宇宙尘埃,陨石和其他从外太空落到地球上的物质—最重要的是,我们不应该忘记所有原子的宇宙起源构成地球和我们自己的力量!但是这些是其他故事。)

与我们称为光的电场和磁场中快速移动的振动相反,宇宙的声音由时空中的振动传递 引力波。爱因斯坦的广义相对论告诉我们,所有形式的物质都会在时空中产生扭曲,物质的运动会产生以光速在整个空间传播的振动。振动以一种可以在很远的地方探测到的方式来回拉伸空间本身。最重的物体以最快的加速度被认为是黑洞(它们本身不过是时空曲率的密集结而已),是重力最大的加速度,它产生的声音最大。当我们听到它们的声音时,这些振动将使我们在整个可观察的宇宙中聆听巨大且往往是无形的灾难。

大质量加速时会发出引力波。微小的电荷加速时会发光。这意味着引力波的频率比光低得多,并且来自宇宙中完全不同的事件。例如,正常的恒星自身在炎热的大气层中会发出动摇的电子,发出许多光,但几乎没有引力辐射。在相反的极端,宇宙中最强大的能量转换(两个黑洞相互融合并形成一个更大的黑洞)将几乎所有能量以引力波的形式发射,而几乎没有任何能量以光的形式发射。确实,在合并的短暂时间内,对于我们所知道的最大空洞,长达一个小时左右的时间,只有一个这样的合并对在引力波中的发射功率是可见宇宙中所有星系中所有恒星的一千倍。 ,所有东西结合在一起,发出光。因此,宇宙中最响亮的事物并非最亮丽的事物,反之亦然。这两种能量真的就像对正在发生的事情有完全不同的感觉。

汤姆·邓恩

正如Peter S.Shawhan在这些页面中所解释的(“引力波及其检测方法,” 2004年7月至8月),爱因斯坦的理论使我们能够计算出引力波的许多特性。它告诉我们万有引力波通过。他们穿越了时空最远的地方,即大爆炸的最早时刻,到达了我们。该理论告诉我们,互相绕转的普通成对的恒星,包括我们已经知道的双星,应该发出引力波,以及它们究竟发出多少能量。它告诉我们黑洞中扭曲时空的确切数学形状,该形状以任何物体掉入时发出的可精确预测的引力波编码。

简而言之,对于周围的空间和时间应该如何振动,我们有一个确定的数学模型。通过窃听引力波,我们可以以全新的方式探索整个宇宙,同时测试关于空间和时间行为的基本思想。

确切的间接证据表明存在引力波。罗素·霍尔斯(Russell Hulse)和约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)在1993年获得了诺贝尔奖,其部分原因是测量了引力波能量损失对双星脉冲星系统的影响。但是到目前为止,还没有人直接检测到引力波。在我写这篇文章时,第一个主要的侦听器距离它的第一个持续监听期已经过去了几个月。

超灵敏的麦克风

天文学家希望收听宇宙中声音众多的配乐,并聆听世界各地发生的事情。问题是,尽管这些振动携带大量能量,但很难检测到。 (这与它们穿透任何东西有关!)靠近黑洞,时空高度扭曲,以至于如果距离太近,逃脱是不可能的。但是,从很远的距离到达我们的引力波只会使空间变形很小,导致分数拉伸小于黑洞尺寸与距离的比值。换句话说,时空是存在的最坚硬的介质,因此即使大量的能量也只会产生微小的振动。那我们怎么听呢?

图片由(左到右):印度布巴内斯瓦尔物理研究所的Ajit Srivastava,带有交叉偏振器的液晶薄层的相变;国家射电天文台/ AUI和F. N. Owen,C。P. O'Dea,M。Inoue和J. Eilek,亚伯400; NASA / SAO /钱德拉X射线天文台,双星Sirius B;和美国国家航空航天局,波浪模拟。

当引力波通过时,它来回伸展空间。这意味着对象之间的距离会发生变化。对于给定的分数拉伸程度,距离对象之间的距离越远,距离的变化就越大,因此我们要测量距离彼此之间的对象之间的距离的微小变化。激光干涉法是检测超长距离微小微粒的一种非常灵敏的方法,它是最灵敏的重力波探测器的核心技术。

激光是一种“纯色”,仅由一个波长的波组成。在干涉仪中,来自激光器的一些光从反射镜反射回来。到镜子的距离的任何延伸都会改变光的波长。 (由于这是一个时空的延伸,所以可以将这种变化考虑为是由于镜的运动引起的多普勒频移。)然后将反射光与一些未反射的原始激光合并,从而得到两组波浪会互相干扰。光会根据两组激光在其相对振动中的确切位置来改变亮度。通过测量光强度的变化,即使反射镜很远,反射镜的微小运动也可以达到很高的精度。现在部署在地球上的干涉式重力波探测器(在Shawhan的文章中进行了详细介绍)可以在几公里的距离内测量比原子核小得多的运动。未来计划用于太空的探测器,激光干涉仪太空天线(LISA),将在500万公里的距离内测量比原子小得多的运动,大约是距月球距离的13倍。

时空声音的二十个八度

在地面(LIGO,激光干涉仪引力波天文台以及全球其他地方)和太空(LISA)上都建立干涉仪的原因是,它们以与光学和光学相同的方式观测引力波的频率非常不同。射电望远镜观察到不同频率的电磁辐射。频率跨度与具有20个八度音阶的钢琴键盘相同。那意味着他们将发现在宇宙中碰撞的非常不同种类的事物。

照片由欧洲重力天文台提供。

地面探测器以可听到的频率,大约每秒100个周期或赫兹的宽带收听时空摆动,这是三个八度音阶的一部分,或者是通用高音的范围。这些频率是由中子星和黑洞以及围绕单星质量的尖叫所引起的。这就是在灾难性合并之前,当它们最大声时它们彼此旋转和绕圈的速度。 LIGO将听到这些死亡之星的嘎嘎声。

在太空中,探测器可以听到的频率低一百万倍。这些巨大的隆隆声,大约在几兆赫兹的范围内,是由黑洞的灾难性合并产生的,这些合并的黑洞比LIGO听到的大得多,是单颗恒星质量的数百倍。它们也可以来自质量不那么大,彼此更慢,更遥远的绕行轨道的双星。确实,双星非常普遍,以致它们的引力波聚集在一起,并且在某些频率下是LISA的“噪声”的主要来源。对于LISA来说,宇宙是一个繁华喧闹的地方。一旦打开,就会发出刺耳的声音。科学上的挑战是将它们彼此区分开,就像试图在每个人都在交谈的鸡尾酒会上理解对话。

图片由Brad Whitmore,太空望远镜科学研究所和NASA提供。

LIGO和LISA的观测方式完全不同。 LIGO有点像观鸟。它在于等待合并事件的罕见歌曲,这些事件往往是短暂的,来自恒星最终合并的高强度活动。这些事件一直在宇宙中发生,但我们不知道确切的频率,或者确切的时间何时发生在附近,足以让LIGO听到。根据事件的发生率和我们的运气,LIGO(今年初以完全敏感的方式开始了其首次扩展数据运行)可能会在明年或未来十年的某个时候检测到引力波。当LISA飞行大约十年后,它将立即检测到一些已知来源的引力波。从那时起,天体物理学家和宇宙学家将忙于彼此分离各种已知和未知的宇宙噪声。

当检测到重力辐射时,我们将从中学到什么?我们知道,我们将学习有关宇宙正在发生的事情的许多新事物,从而开创一种新的天文学方法。我们也知道我们将以全新的方式研究引力和时空的物理原理。结果可能证实我们认为我们所知道的(即爱因斯坦的时空理论),或者可能告诉我们有关时空行为的一些新知识。我们可能还会发现一些全新的事物,例如我们直到现在才猜到的全新的质量和能量状态。这样的发现可能阐明了物理学的一些最深奥的奥秘,例如关于空间和时间的观念与能量和量子的观念的统一,也许是以弦论的形式。

rp,环,黑洞和二进制

当宇宙中某个地方的两个非常大的黑洞一起旋转并合并成一个更大的黑洞时,最壮观的LISA事件将是巨大的轰鸣事件。最终的孔比原来的两个孔重很多,质量差以引力波的形式散发出去。正如我上面提到的,就辐射功率而言,这些合并中只有一个远远超过了宇宙中所有其他合并的结果。

这些事件将很有趣。他们唱了一首叫做“ chi”的歌。在很长一段时间里,绕着轨道旋转的黑洞发出几乎恒定的音调,就像小提琴上的单个音符变慢一样。然后,就在小孔合并之前,音符很快就变得越来越高,响亮,就像名家的蓬勃发展一样。最终,合并之后,声音迅速消失时会发出“响声”,就像巨大的音乐厅中的混响一样。

草图概念由汤姆·邓恩(Tom Dunne)绘制的LISA国际科学团队提供;该图改编自Stephanie Freese的Cutler和Thorne 2002。

我们认为合并在宇宙中的某个地方经常发生。大多数星系的中间都有一个巨大的黑洞,每个星系过去一次都被吞噬或与另一个星系融合。那就是星系的成长。当两个星系合并时,它们的两个巨大黑洞沉入新星系的中间,因为它们通过引力相互作用将能量损失给恒星和气体。最终,这些孔彼此找到并合并在一起。大约有一百亿个星系需要聆听,如果每个星系在一百亿年的活跃星系组装过程中仅执行一次,则平均每年大约有一个事件。

汤姆·邓恩

但是,大多数巨大的黑洞无需等待那么长时间即可吞下东西。他们一直在零食周围周围较小的银河系。这些大洞生活在银河系中心密集的恒星群中,并且时不时有一颗恒星出于自身的利益而太靠近它的邻居。

有时,非常紧凑的恒星残余物(中子星或恒星质量的黑洞)会在死亡之舞中找到自己,在那里它绕着一个巨大的黑洞进出多次旋转,直到最终掉入事件视线范围之外并从视野中消失。一直在跳舞时,它会散发出引力辐射。引力辐射记录了轨道的历史,并绘制了围绕巨大黑洞的时空的详细地图。请记住,黑洞仅由重力构成,爱因斯坦的理论告诉我们黑洞的结构应该是什么。这种事件将告诉我们很多有关黑洞本身的结构的信息-时空如何将自身与稳定的旋转结联系在一起,我们称之为黑洞。

LISA也有一些确定的目标。我们的银河系充满了恒星。恒星有生命周期,它们仅能像普通恒星一样持续下去,直到氢燃料用完为止,而且许多恒星已经燃烧掉并死亡。在大多数情况下,残留物是很小而密集的余烬,例如白矮星或中子星,并且在大多数情况下,由于恒星倾向于以双星形式形成,因此残留物处于与类似伴星的双星系统中。每隔几分钟到一个小时绕轨道运行一次的残余物以LISA可以听到的频率辐射。

LISA国际科学团队的数据;斯蒂芬妮·弗里斯的插图。

实际上,我们已经知道天文学家使用普通望远镜发现的一些附近的双星,LISA将能够听到。之所以称它们为“校准二进制文件”,是因为我们已经对它们的许多特性(例如它们的频率和距离)有了很好的了解。在LISA之后,我们将了解更多信息-重力波形将告诉我们它们的倾角以及有关其详细质量和其他属性的更多信息。附近的二进制文件也将使我们放心,LISA实际上正在工作并且正在检测重力波。当LISA打开时,成千上万个更远的二进制文件会混入一个嘈杂的备份合唱中。

映射遥远的宇宙

利用已知的引力波物理学,LISA将使我们使用引力波作为一种工具,将距离映射到遥远宇宙中的星系。通过测量遥远的二进制黑洞合并的the声(直到音调改变,它会持续多长时间),我们可以判断出合并的黑洞有多大。通过测量响度,我们可以判断出孔有多远。就完全理解黑洞合并的物理学而言,这是一种映射宇宙膨胀的全新方法,它比我们拥有的其他技术更精确和直接。

这个项目的一个棘手的方面是,天文学家需要用可见光实际识别出星系星系(因为我们需要对红移进行独立的测量,即红移的波长被膨胀的宇宙拉伸了)。我们不确定这是否可能。对于响亮的二进制文件,LISA有时会通过组合一年中不同时间的数据来充当立体声麦克风,来让我们测量声音的方向。最佳精度约为一个弧度,将其范围缩小到一片天空,其中包括成千上万个星系图像。可以合理地希望其中非常特殊的星系与一对合并的黑洞看起来将足以让我们识别出不同的星系-也许是通过光中随时间变化的核活动,也许是通过响应扰动来改变形状由最近的星系合并创建。

超新星的精确距离映射导致发现了宇宙暗能量,加速了宇宙的膨胀。利用引力波更好地测量距离将是一种了解有关自然新力量的更多细节的方式。

弦乐节

尽管听起来有些奇怪,但根据我们对宇宙的当前了解,实际上,刚刚讨论的所有消息,甚至是巨大的二进制黑洞合并,实际上都有望在正常事件中发生。但是真正奇怪的东西呢?哪些新的,出乎意料的事情可能真的使我们无法接受?

图片由印度布巴内斯瓦尔物理研究所的Ajit Srivastava提供。

如今,物理学的影响力可以追溯到大爆炸的早期,达到令人难以置信的高温,甚至可以追溯到通货膨胀时代,当时宇宙膨胀获得了使它像今天一样大的动力。如果您走得足够远,那么即使是空间和时间也不会像今天那样。爱因斯坦理论(弦论)的一个尚未被人理解的量子形式表明,空间具有10个维度,其中许多是高度弯曲或紧凑的,并且所有物质粒子,甚至时空和引力波,最终都由微小的组成量子弦。弦理论的问题在于,尽管它具有将物理和数学不同部分的思想联系在一起的看似奇迹般的能力,但尚无人为它找到任何现实证据。 LISA可能听到这种新物理学的耳语吗?

至少存在一种新的,真正的“弦状”物体,如果存在的话,它会充满LISA可能听到的引力辐射。微小的量子线也可能形成 宇宙超弦,在显微镜下很薄,但在天文上却很长。

在非常早的宇宙中,随着宇宙的膨胀,它们的密集网络通过快速淬灭而形成。这种形成过程类似于将冷冰块突然掉入水中时的破裂,精细锻造的武士刀中合金区域的斑驳图案或有时在超导体,超流体或液晶的突然冷却中形成的涡流线。随着宇宙的进一步扩展,弦乐以几乎光速散开并奔波。当他们越过时,他们可以交换伙伴,产生闭合的字符串循环。这些循环中大量积累并且不容易消失。循环不断变化,但几乎稳定,并保持很长时间,仅缓慢收缩。确实,回路损失能量的主要方式是通过重力波!如果我们估计引力波的强度,那么在弦理论膨胀建议的某些情况下,LISA可以很容易地检测到它们。

这些循环中最有趣的弦事件是很少见的情况,当异常附近的循环通过某种鞭打动作或尖峰灾难向我们的方向发射引力波时。弦在某一位置的运动正式地接近光速,并且随着这一瞬间的临近,引力波被束射并放大。如果检测到此类突发,将是丰富的数据源,并且是有关弦理论在现实世界中如何工作的全新窗口。

也有可能我们可能直接从早期宇宙中看到引力波,可能是从通货膨胀结束时驱动大爆炸的场将其能量转换为正常的光,物质和反物质,或者是在后期的相变中(当光和物质产生时)超过反物质的物质变成了我们的原子。引力波的穿透力如此之大,以至于它可以追溯到整个宇宙的整个历史,一直追溯到大爆炸的开始。

兆欧计

LISA何时飞行?我们什么时候可以戴上耳塞并聆听那里发生的事情?该仪器的制造具有挑战性,但是来自美国和欧洲的一组科学家和工程师认为他们可以做到。

图片由作者提供;汤姆·邓恩的插图。

LISA的基本概念很简单。该系统的心脏,一个金/铂金立方体,在每个航天器中自由漂浮,没有碰到任何东西。立方体受到保护,不受重力影响。航天器非常轻柔地感知其位置,并用微型推进器进行操纵,以免撞到它。激光从立方体反射回来,由望远镜发射,经过多个LISA航天器之间的500万公里,以测量由引力波引起的立方体之间距离的微小变化。测得的距离变化由时空的分数拉伸量10给出-23 小于它们之间的距离的两倍,或大约0.05皮米。该距离比原子小得多,几乎与原子一样小。 原子

设想构建一种仪器,测量的距离远比距月球的距离大,而其精度却远小于单个原子,这似乎令人难以置信。在进行这项工作的众多技术挑战中,主要的挑战之一是为立方体创建一个环境,除了重力以外,所有环境都没有。围绕质量的航天器必须以某种方式感知其位置,而不会打扰它,并且仅在跟随时空摆动时跟随它。行星上最灵敏的加速度计-扭力平衡器也已被用来寻找从额外的尺寸和新形状到重力的微小力-有助于寻找使力最小化的方法。

当然,LISA进入太空的原因之一是由于地球上所有的重力噪声。为了对技术进行精确的测试,特别是在经受了火箭严格的发射之后,我们必须将机器送入太空。几年后将发射一颗名为LISA Pathfinder的卫星,以检查无法在地球上测试的最敏感的LISA技术。它只是一颗卫星,因此将无法检测到重力波,但是机载质量检测器和传感器以及允许航天器轻松操纵的微型微牛顿推进器将具有与LISA相同的设计。这些系统的工程原型已经存在。据我们所知,构建LISA并不存在根本的技术障碍。

LISA本身的实际发布还有很长的路要走,它将接受科学和工程界以及大西洋两岸为其提供资金的机构和纳税人的实质性和持续的承诺。尽管对一个重要的科学项目而言,这并不是一笔空前的巨款,但它的投资超过10亿美元:例如,这一预算仍然比大型粒子加速器(例如欧洲的新型大型强子对撞机)的预算小得多。粒子物理实验室CERN或太空望远镜,例如哈勃太空望远镜。在如此新的领域中,第一步如此之大是不寻常的,但对于科学项目而言,以全新的方式探索宇宙也是不寻常的。

参考书目

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