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引力波到底有什么用？ 引力波有什么用( 二 )


目前，人类已经观测到了相互环绕5圈的两个恒星级黑洞系统合并过程发出的引力波信号，这也成为宇宙中天体“黑洞”确实存在的最直接证据 。但更让天文学家兴奋的是，2017年8月，LIGO观测到了两颗中子星在合并过程中发出的引力波 。与黑洞在合并过程中完全不可见不同，这次中子星合并事件，命名为“GW170817”，发生在距离地球1.3亿光年的地方，不仅释放了引力波，还释放了大量伽马射线 。天文学家可以通过各种手段观测到同一个宇宙现象，通过估算信号的原始强度，并与探测到的强度进行比较，判断其与地球的距离 。
天文学家渴望通过引力波信号测量天体的精确距离，并充当了之前两种天文测距方法的裁判 。但问题是，目前人类获得的引力波数据如此之少，以至于人们只能根据目前掌握的唯一一颗中子星的引力波数据来计算哈勃常数 。结果显示，每相隔326万光年，星系回归的速度就会增加约66.9公里/秒——这个数值正好介于上述两种方法得到的两个数值之间 。相信这样的误差会随着中子星引力波信号的积累而越来越小，所以天文学家们渴望再次探测中子星的引力波信号，从而不断修正他们计算出的哈勃常数 。
它不仅用于测量天体与地球的距离，而且在引力波信号中包含了更多的信息 。无论是在天文学还是基础物理学领域，科学家都希望通过研究引力波信号来建立更精确的模型 。例如，物理学家渴望了解中子星的内部结构 。这类天体是宇宙中除黑洞外密度最大的天体，了解其内部结构对物理学研究具有重要意义 。中子星合并时发出的引力波信号包含了这一重要信息 。
在观测“GW170817”中子星合并事件的过程中，天文学家记录了长达100秒的引力波信号，但最终它错过了一个重要的部分，因为它的频率太高，超出了设备的探测范围 。正因为如此，人们渴望积累更多的中子星来合并引力波信号 。比如中子星有多大，物质可以被压缩到什么程度？宇宙中的一些伽马射线暴从何而来？一些重元素是如何产生的？所有这些问题都可以从引力波信号中得到解答 。
另一方面，两个恒星级的双黑洞系统是如何相互绕着旋转，最后融合在一起的？是燃尽的恒星爆炸形成的黑洞，然后在引力的作用下相互靠近，还是原来两颗相互绕转的恒星逐渐燃尽变成黑洞，双星系统变成双黑洞系统？天文学家还希望在积累了足够多的黑洞来合并引力波信号后，可以通过判断它们之前的自旋状态来判断这一点 。
引力波天文学刚刚起步从人类第一次探测到引力波信号开始，引力波天文学的时代才刚刚开始三年，一切才刚刚开始 。所以人们才对它充满希望 。天文学家希望了解宇宙从诞生到现在的历史，星系形成、合并、发展的过程，宇宙膨胀的全部原因和过程，通过引力波绘制出整个宇宙的黑洞图 。
不仅如此，天文学家还希望通过引力波预测整个宇宙的未来，找出暗能量的本质，从而知道宇宙是否会永远加速信息资源网络的膨胀 。
要实现这些崇高的目标，现有的引力波探测方法远远不够 。除了位于美国的两台LIGO引力波探测器外，欧洲六国联合建造的处女座引力波探测器也成为人类探测引力波的重要装置 。科学家们目前正在加强LIGO和处女座探测器的灵敏度 。日本还在地下建造一个3公里长的KAGRA引力波探测器，它可以在位置上补充LIGO和处女座 。越来越多的引力波探测设备将逐渐在地球上形成引力波探测网络，但最令人期待的还是欧洲空跨机构(ESA)正在建造的激光干涉空天线(LISA) 。LISA计划在20世纪30年代开始工作，探测Tai 空中另一个领域的引力波信号，其规模远远超过地球的引力波探测器 。
地球上的引力波探测器由于其尺度和周围噪声的限制，适合探测高频范围(10 Hz到1000Hz)的引力波信号，而不能探测更低频率范围的引力波信号 。将在Tai 空工作的LISA将探测0.00002 Hz到0.1 Hz之间的低频引力波信号 。在Tai 空中，三个相距250万公里的信息资源网的探测器组成一个三角形，用激光连接，相互配合探测低频引力波 。
在这个频率范围内，人类将有可能观测到远超恒星级黑洞的巨型黑洞合并过程 。比如我们知道在很多星系的中心都存在一个质量数十亿颗恒星的超大质量黑洞 。如果两个星系相互碰撞并合并，那么这种大小的两个超大质量黑洞在合并过程中会发出低频引力波信号，而这样的信号可能从20世纪30年代就被LISA探测到了 。观察超巨星黑洞的合并过程，人们必将更加清楚地了解整个宇宙的演化历史和星系的发展史 。考虑到宇宙中数千亿个星系的数量，一些天文学家预测，在LISA开始工作后，她可能能够在一年内探测到几次这种惊人的合并过程 。


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