引力波天文臺的五大觀測目標

布萊恩·加拉格爾+晨飛

2016年2月3日，麥克馬斯特大學的物理學家克里夫·伯吉斯向他的同事發了一封電子郵件。這封郵件與一個激動人心的傳言有關。郵件中說，在今天晚些時候的新聞發布會上，這項可能的發現如果得到確證，就意味著“有人要得諾貝爾獎了”。伯吉斯說，根據“密探”的說法，激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）直接觀測到了壯觀的引力波信號（這種信號是時空結構的微小漣漪，是由非常龐大的天體在很遠的太空造成的）。而被捕捉到的這個信號，源于兩個黑洞的碰撞和合并。1915年，愛因斯坦首先從理論上指出了引力波的存在，但是之前獲得的證據都是間接的。LIGO是第一個直接看到引力波的儀器，它使用的方法是測量相隔遙遠的兩個鏡面之間距離的微小變化。

我們問了很多物理學家，如果有一個完全正常運轉的引力波天文臺，觀測到什么最讓他們激動。以下是他們給出的最受歡迎的五大目標。

1.星系超新星

如果一顆恒星足夠巨大，它會在生命的盡頭變成一顆超新星，在耗盡核燃料并在自身重量之下坍縮時發生壯觀的爆炸場面。雖然我們的太陽太小了，并不會變成超新星，但是銀河系中存在足夠多的大質量恒星，令我們大概每3 0年就有機會觀測到一次超新星爆發。哥倫比亞大學的天體物理學家伊姆勒·巴托斯說：“因為光線，想要看到這些爆炸的內部情況非常困難。”在加州理工學院和LIGO實驗室工作的數據分析師喬納·坎那說：“有了LIGO，我們就可以研究星體核坍縮內部原理的極細微之處。”

2.黑洞

如果一顆坍縮的恒星足夠巨大，它會造成時空的極度彎曲，導致自己的光線也無法逃逸，從而產生黑洞。亞利桑那州立大學的理論天體物理學家勞倫斯·克勞斯說，他希望看到坍縮的最后時刻，“以便觀測接近黑洞表面的事件，在那里物理學會變得很有趣”。莫納什大學的天體物理學家埃里克· 特拉內說：“看到兩個黑洞合并時產生的引力波，可以為愛因斯坦的廣義相對論提供終極檢驗。黑洞代表著時空最大的彎曲程度，觀測兩個黑洞的碰撞可以告訴我們引力在最極限時刻的有關信息：強烈、迅速變化的引力場。”巴托斯說，這種碰撞是我們無法通過其他任何手段觀測到的。

3.中子星

如果一顆恒星發生了超新星爆發卻沒有坍縮成黑洞，它就會變成一顆中子星，一種“迷人的天體”。它們極其致密，一茶匙的中子星就重達數十億噸。在實驗室中研究中子星密度下的物質并不容易，但是特拉內說，引力波“或許可以提供一個‘太空實驗室，讓我們能夠了解最大可能密度下的物體”。加州理工學院的理論天體物理學家基普·索恩，在電影《星際穿越》的拍攝過程中跟導演克里斯托弗·諾蘭一起工作過，他說他想看看“一個黑洞把一顆中子星撕碎的場景”。在美國航空航天局噴氣推進實驗室工作的齊雅拉·明格瑞利則希望看到中子星和黑洞的合并，認為這一現象或許能夠“為中子星磁場衰退中懸而未決的問題提供洞見”。她說：“這確實是一個激動人心的時代。”

4.早期宇宙

137億年前宇宙大爆炸時期產生的引力波，很可能仍然存在。“檢測這些‘原始引力波可能告訴我們通過其他任何實驗都無法揭示的宇宙原理。”特拉內說，“與之相比，我們已經相當了解的宇宙微波背景輻射，給我們揭示的是宇宙近38萬年來的信息。”如果能夠看到如此久遠的宇宙，會讓科學家有機會去探測更高的能級以及更基礎的物理學。克勞斯還指出，回溯到這樣久遠的過去，或許還能向我們揭示“其他宇宙的存在”，而這些信息是我們這個宇宙大爆炸之后不久的早期膨脹階段的產物。

超級計算機模擬的兩顆中子星碰撞的過程

5.弦理論中的振蕩宇宙弦

巴托斯說，引力波“為研究宇宙提供了一扇全新的窗戶，通過這扇窗戶向外看，我們可以期待許多令人驚喜的發現”。加州理工學院的宇宙學家肖恩·卡洛說，其中一個驚喜可能是找到弦理論中的振蕩宇宙弦。他說：“這真的是遠景渺茫，但如果能夠發現，將具有劃時代的意義。”但對索恩來說，找到宇宙弦并不是“完全的驚喜”，他希望發現“我們從來沒有想過的東西”。而對伯吉斯來說，能夠檢測到引力波他就已經“極其開心”了。“人們想要的是一些能夠揭示自然原理的東西，而基本上科學家發現的任何東西都能給我們這樣的信息。我只是希望能看到更多。群體的統計學結果永遠比某個單一事件能夠向我們揭示更多。”