引力波將讓人們看到極致宇宙

2015 年 9 月 14 日首次直接探測到引力波，證明了大質量天體能夠盪漾空間結構，驗證了愛因斯坦廣義相對論的一個關鍵預言。

第二次探測於2015年12月26日進行，並於2016年6月公佈，它堅定地將引力波確立爲了解宇宙的新窗口。

但更令人興奮的還在後面，激光干涉引力波天文臺（LIGO）和室女座實驗不久將觀測到數千個信號。

它們將改變我們對黑洞、中子星、超新星爆炸的認識，甚至可能改變我們對宇宙本身的起源和命運的認識。

我們已經感受到物理學和天文學領域的變化。迄今報道的兩起事件大大增加了已知恆星質量黑洞的數量，並證明了黑洞可以形成緊密的對，並在宇宙的生命週期內發生劇烈的合併。

這種合併是 9 月 14 日和 12 月 26 日信號的推斷原因。利用這兩個事件的數據，在 LIGO 和室女座合作組織以新穎的方式檢驗了廣義相對論，這遠遠超出了我們的地球經驗。

已經證明，黑洞碰撞的頻率比預期的要高，這讓一些研究人員猜測，黑洞的數量可能多到足以作爲暗物質的一種。

與任何新的觀測工具一樣，新探測器最重要的發現肯定是那些出乎意料的發現。不過，即使沒有意外，也能很好地感受到引力宇宙將告訴我們的神奇事情。

首先，將探測到更多的黑洞合併對，與已經探測到的兩個黑洞相當。現有儀器的靈敏度比其全部潛力低大約三倍。

在極限靈敏度下，兩個 LIGO 探測器和室女座實驗每年將記錄數十到數百個黑洞事件。

這個大樣本將產生一份詳細的黑洞普查，使天文學家能夠描述整個宇宙中的黑洞數量，評估黑洞形成的理論。

還將觀測到中子星的合併，中子星是恆星的超密度殘骸，它們太小而無法形成黑洞。黑洞是如此極端，簡單得令人窒息（完全用質量、自旋和電荷來描述），而中子星則展現了宇宙最奇異、最複雜的一面。

它們所包含的質量比太陽還要大，擠在一個曼哈頓大小的球體中，其磁場強度可能是地球的十億倍以上。

研究人員不瞭解如此密集的物質是如何表現的，也不知道它們的磁場是如何維持的。研究人員所知道的是，成對的中子星有時會相互螺旋撞擊。

由此產生的引力波將首次爲我們展現中子星相互作用時的全貌。

與黑洞不同，裸露的中子星會發出光和其他形式的輻射。中子星合併會產生伽馬射線或 X 射線的快速閃光，以及可能持續數天或數週的微弱光學餘輝。

通過 LIGO 和 "處女座 "的協同工作，研究人員可以將中子星碰撞的位置定位到天空中幾度的範圍內。

然後，光學望遠鏡可以在這一片天空中搜索合並過程中噴射出的放射性物質所發出的漸弱信號。

這種同時觀測引力波和電磁波信號的方法可以解開天文學中許多長期存在的謎團，例如被稱爲短伽馬射線暴的高能閃光的性質，以及重元素（包括地球上發現的大部分黃金）的起源。

引力波還可以顯示 "內核塌縮 "超新星爆炸中發生的情況，這種爆炸發生在一顆大質量恆星的內核耗盡其核燃料並在恆星巨大的質量下被擠壓時。

這是天體物理學中的一個懸而未決的問題，因爲驅動爆炸的機制隱藏在恆星內部深處。

超新星產生的引力波會直接從恆星中心傳到研究人員的探測器。然而，核心坍縮超新星是非常罕見的。

我們銀河系附近上一次發生這樣的超新星是在 1987 年，而我們銀河系內部上一次發生這樣的超新星是在 400 年前。引力波科學家們必須要有足夠的運氣和耐心。

從更廣闊的視角來看，中子星合併產生的引力波將爲我們提供一種研究宇宙膨脹的全新方法。

我們目前的宇宙學圖景，即宇宙在大爆炸之後不斷膨脹，並且由於看不見的 "暗能量 "而加速膨脹，在很大程度上依賴於對遙遠星系超新星的觀測。

引力波將提供補充信息，引力信號的強度（振幅）告訴我們事件發生的距離，而合併的光學外觀則揭示其光線在到達地球的途中被拉伸或紅移的程度。

這兩個信息決定了宇宙膨脹的速度。對這一速率的獨立測量將爲我們的宇宙學模型提供重要的檢驗依據。

LIGO 和 "處女座 "可能會探測到一種微弱的引力波背景聲，它瀰漫在整個宇宙中，不斷振動着整個虛空。

許多理論都預言，引力波能量無處不在，它可能來自天體物理事件（如黑洞合併）的積累，也可能來自宇宙大爆炸後早期極速的宇宙膨脹。

如果嗡嗡聲足夠響亮，它就會在相距甚遠的探測器（如 LIGO 和 Virgo）之間顯示爲相關信號。測量引力波背景將是一項巨大的成就。

未來幾年，引力波科學的進展將受到探測器靈敏度的限制。隨着其性能的每一次提升，很可能會發現來自新型源的事件。

最終，也許在國際社會對新設施進行大量投資之後，該領域的進展將只受限於宇宙是否願意提供罕見的奇異信號以供觀測。

LIGO 和處女座已經完成了一項驚人的壯舉。信號是由兩個天體產生的，每個天體的質量大約是太陽的 35 倍，它們被鎖定在一個衰變軌道上，這個軌道的大小相當於瑞士，每秒相互繞行 50 圈。

所涉及的能量是驚人的，短暫地超過了宇宙中所有的星光，但到達地球的信號卻是人類所測量到的最難以察覺的東西之一。

隨着引力波探測從轟動性的發現轉變爲天體物理學和宇宙學的常規工具，空間無形的震動將矛盾地照亮宇宙中至今完全黑暗的部分。