本文参加百家号科学#了不起的天文航天# 系列征文
引力波是爱因斯坦预言的在空间结构中不可见的涟漪。它开启了天文学的一个全新的时代，让科学家们能够看到宇宙中曾经被认为不可见的部分，比如黑洞，暗物质以及被称为轴子的一些理论上的亚原子粒子。
在爱因斯坦预言引力波存在作为广义相对论的一部分之后几乎100年，引力波第一次在被在激光干涉引力波观测站工作的科学家们（Laser Interferometer Gravitational Waves Observatory , LIGO）探测到，并且让他们获得了诺贝尔物理学奖。
图解:当两个天体，比如黑洞和中子星合并时，它们导致引力波的频率上升，就像涟漪一样。图片来自-LSE/Alex Nitz
这个巨大的装置检测到的微小的扰动产生于距地球13亿光年的两个黑洞的合并。当这两个质量巨大的天体碰撞时，它们扭曲了时间和空间。
“这种扭曲像湖面上的水波一样传播”，意大利罗马大学的理论物理学家，保罗·帕尼教授解释道，“这就是引力波”。
所有有质量的物体都会在时空结构中产生它们自己的微小的凹陷，即产生所谓的引力。但是，只有最重的天体参与的激变事件，比如黑洞和中子星，才可以产生足够大到在地球上可以探测到的引力波。它们以光速在宇宙中辐射出去，穿过几乎所有它途经的天体。
但是探测这些波动的能力也给天文学家提供了一个研究宇宙的新方法。帕尼教授正领导DarkGRA 项目，试图利用引力波去探测宇宙中的一些最大的谜题，包括大质量奇异星，暗物质和黑洞本身。
先前的天体物理学家不得不通过研究黑洞周围物质的行为来推测黑洞的存在。黑洞被认为是坍缩恒星的超大质量遗迹。它们产生的引力强到甚至连光也无法逃逸。经过黑洞边界（也就是视界）的任何物体都会看上去永远停留在那里。
“这就是我们看不到黑洞的原因”，帕尼教授说，“我们看不到它们那里的光线。黑洞仍然是一个大谜团”。
然而，引力波让像帕尼教授一样的科学家可以直接看到这些黑洞成为可能。“它们是黑洞周围的信使，不需要任何传播媒介”，他说。
通过研究这些波动的特征，获得关于这些之前不可见物体的质量，转动，半径和速度的信息是可能的。“我们的项目的目的是理解极致密天体的引力波观测，所以我们可以排除或认证其他类型的天体”，帕尼教授说。
“暗物质几乎不与其他任何事物相互作用，所以在实验室中是非常难以探测的。”——保罗·帕尼教授，罗马大学，意大利
根据广义相对论，两个极致密天体的合并——比如白矮星，中子星或黑洞——会导致最后的生成物坍缩形成一个黑洞。但是，有理论预测它们也会形成与黑洞具有相似质量和半径的天体，但是不存在视界。因此，这些神秘的致密天体拥有一个可以反射引力波的表面。
“如果在这些天体的合并之后存在一个表面，那将会产生引力波回音，也就是一个从表面反射的信号”，帕尼教授解释道。从在地球捕捉到的信号里探测到这些回声是可能的。
暗物质
然而，还存在另外一种说法可以用来解释导致黑洞莫名产生或者其他尚未说明的引力波特征——黑洞沐浴在暗物质中。暗物质是一种尚未被观测到的物质形式，但是它被认为占据了宇宙所有物质的85%。这样也可以产生一个独特的能够说明问题的引力波。
“暗物质几乎不与其他任何物质发生相互作用，所以在实验室中非常难探测”，帕尼教授说。但是通过在引力波中寻找独特的信号可以让科学家们第一次看到它。
一些关于引力的观测仅能被我们看不见的暗物质的存在或是通过改变我们的引力定律解释。英国剑桥大学的乌尔里希·斯比尔海克教授，同时也是StronGrHEP项目的首席科学家，将引力波描述成一个“宇宙的新窗户”。引力波可以帮助我们解开这些谜题。
如果当两个黑洞在合并时周围全是暗物质，，暗物质会吸收能量。这将意味着在类似LIGO探测到的黑洞碰撞过程中，引力波将会与没有暗物质时看起来不一样。
暗物质可以解释的一个观测问题是为什么星系比它们的大小所表明的转得快。“转动速度和星系中的质量有关”，斯比尔海克教授说。所以如果一个星系转得比我们可见的质量快，那就有两种解释——我们要么需要改变我们关于引力如何作用的基本理论，要么在星系中存在我们不可见的暗物质。
斯比尔海克教授正在研究的观点是用一个叫做标量张量引力的新理论来拓展爱因斯坦的广义相对论。这个观点表明宇宙充满了一种尚未被探测的额外的场——类似于磁场或电场。
这意味着一个濒死恒星的超新星爆发将不仅被作为引力波观测到。在引力波之后，我们可以探测到一种余晖。我们可以将LIGO指向恒星爆发的天区——尝试探测可能会在实际爆炸之后持续几个世纪来自标量场的余晖。
此外，斯比尔海克教授正研究是否暗物质可以被叫作轴子的理论上的亚原子粒子解释。他正尝试建立当这些粒子存在时来自黑洞的引力波回声的构型的模型。
“我可以说轴子是暗物质的最佳候选者之一”，他说。下一步就是将他的模型应用到LIGO收集的数据去看看理论和观测是否相匹配。
美丽的理论
理查德·布里托博士在参与了帕尼教授在意大利的小组，作为他自己项目FunGraW的一部分，去利用引力波来检验轴子粒子的存在。但是他也将利用它们检验爱因斯坦理论本身以及是否爱因斯坦理论在大尺度上是不正确的。
“如果我们看到了与黑洞一样致密的天体但没有一个视界面，那这就意味着在那些尺度上广义相对论是错误的”，他说。
这可能有一个重要的涉及日常生活的含义。例如，广义相对论理论对GPS的日常运作非常重要。但是发现爱因斯坦理论在大尺度上不成立并不意味着它应当被抛弃。相反，我们需要一个修正。
“你可能在很难达到爱因斯坦理论的数学清晰度”，斯比尔海克教授说。“它不仅仅因为作出了精彩的语言而显得惊人，还有着成为一个美丽理论的吸引力。并且，有趣的是，物理学家将美感看作一个理论中的重要成分。”
参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.Anthony King-horizon-林令瑞
如有相关内容侵权，请于三十日以内联系作者删除
转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处
