凯蒂·麦克(Katie Mack)是周界理论物理研究所宇宙学和科学传播的霍金主席,也是《万物的终结(从天体物理学角度讲)》一书的作者。
八年前,当我第一次得知引力波被探测到时,我感到晕船。但上个月的一份报告显示,有证据表明宇宙中存在低频引力波,这让我感到震惊。
作为一名物理学家,我已经习惯了知道宇宙中有一个由粒子和波组成的看不见的世界。我已经接受了不断被中微子和宇宙射线串在一起。我愉快地接受牙医的x光检查和无处不在的无线电波。
但是引力波呢?这是时空本身的扭曲——现实结构的拉伸和挤压,一股变形的浪潮撕裂着宇宙,扭曲着它所经过的一切。银河系深处的可怕居民不是通过他们发出的光,而是通过他们如何搅动我们共享的时空来展示自己。当引力波穿过你的身体时,在那一刻,你会变成一个不同的形状。
当然,这是一个微小的影响。2015年,位于美国路易斯安那州利文斯顿的激光干涉仪引力波天文台(LIGO)首次探测到引力波。和华盛顿州的汉福德。它们是由距离地球10亿光年的黑洞碰撞引发的,并使4公里长的探测器的长度改变了不到一个质子宽度的千分之一。
听到这个突破的那天晚上,我躺在床上,想着太空中不可避免的涟漪在亚原子层面上改变着我。我以为我再也不会觉得自己站在坚实的地面上了。
现在,根据北美纳赫兹引力波天文台(nanogrv)的最新消息,天文学家们有了一种全新而大胆的方法来描绘那些波涛汹涌的宇宙水域。
和光一样,引力波也有不同的频率,这取决于它们的来源。在太阳质量周围的一对黑洞,当它们以每秒数百次的速度相互旋转时,会产生高频引力波的短爆发。这就是LIGO实验所发现的。
超大质量黑洞则是另一回事。它们的质量是太阳的数百万或数十亿倍,潜伏在星系的中心。位于银河系中心的一个叫做人马座A*,质量是400万太阳质量。我们的邻居仙女座星系中心有一个黑洞,据信是它的30到50倍。
超大质量黑洞究竟是如何变成如此巨大的庞然大物的,这仍然是一个谜。但很明显,当它们的宿主星系碰撞时,它们最终也会互相吞噬。
地球上的引力波探测器,比如LIGO,在这里毫无用处。成对的超大质量黑洞的最终轨道可能需要数年或数十年的时间,而它们的引力波可以延伸数光年。以目前的技术,不可能制造出如此大的探测器,对如此低频率的波敏感。
这就是为什么天文学家不得不利用银河系作为临时天文台的原因。
今年6月,天文学家首次透露,他们发现了低频引力波背景嗡嗡声的痕迹。它嵌入了15年来来自银河系自然发生的宇宙节拍器的数据。
这些节拍器被称为毫秒脉冲星,是死去的大质量恒星的旋转残骸。它们每次旋转都会扫描无线电波,每秒数百束,并保持近乎完美的时间。微小的差异可能是由于个别恒星的特性,也可能是引力波改变了每个脉冲到达我们的距离的迹象。通过监测几十颗脉冲星,天文学家寻找时间误差的相关性,这些误差是引力波通过的确凿证据。
这就是他们的发现。
这一发现不可能一下子给科学带来革命性的变化。首先,我们还不完全清楚这种嗡嗡声来自哪里,尽管它看起来很像我们对宇宙中所有超大质量黑洞碰撞产生的引力波组合的预期。如果是这样的话,这将是我们以全新的方式看待宇宙的第一步,这将使我们对星系的形成和成长有更深入的了解。
例如,数据中已经有迹象表明,超大质量黑洞对可能比我们想象的更重或更常见。再过几年的数据可能会揭示单个超大质量黑洞的碰撞,以及它们产生的任何光爆发。
这种嗡嗡声可能完全是另一回事。它可能是早期宇宙中剧烈事件引起的地震,比如宇宙膨胀——我们认为发生在大爆炸期间的壮观的空间膨胀。另一个可能的来源是宇宙弦的振动,这是一种假想的跨越宇宙的能量网。
有太多东西等着你去发现。我们一直在这宇宙的海洋里盲目地荡来荡去,偶尔会被一个偏离方向的波浪击中。现在我们第一次看到了整个海洋。