引力波天文台的五大观测目标

布莱恩·加拉格尔+晨飞

2016年2月3日，麦克马斯特大学的物理学家克里夫·伯吉斯向他的同事发了一封电子邮件。这封邮件与一个激动人心的传言有关。邮件中说，在今天晚些时候的新闻发布会上，这项可能的发现如果得到确证，就意味着“有人要得诺贝尔奖了”。伯吉斯说，根据“密探”的说法，激光干涉仪引力波天文台（LIGO）直接观测到了壮观的引力波信号（这种信号是时空结构的微小涟漪，是由非常庞大的天体在很远的太空造成的）。而被捕捉到的这个信号，源于两个黑洞的碰撞和合并。1915年，爱因斯坦首先从理论上指出了引力波的存在，但是之前获得的证据都是间接的。LIGO是第一个直接看到引力波的仪器，它使用的方法是测量相隔遥远的两个镜面之间距离的微小变化。

我们问了很多物理学家，如果有一个完全正常运转的引力波天文台，观测到什么最让他们激动。以下是他们给出的最受欢迎的五大目标。

1.星系超新星

如果一颗恒星足够巨大，它会在生命的尽头变成一颗超新星，在耗尽核燃料并在自身重量之下坍缩时发生壮观的爆炸场面。虽然我们的太阳太小了，并不会变成超新星，但是银河系中存在足够多的大质量恒星，令我们大概每3 0年就有机会观测到一次超新星爆发。哥伦比亚大学的天体物理学家伊姆勒·巴托斯说：“因为光线，想要看到这些爆炸的内部情况非常困难。”在加州理工学院和LIGO实验室工作的数据分析师乔纳·坎那说：“有了LIGO，我们就可以研究星体核坍缩内部原理的极细微之处。”

2.黑洞

如果一颗坍缩的恒星足够巨大，它会造成时空的极度弯曲，导致自己的光线也无法逃逸，从而产生黑洞。亚利桑那州立大学的理论天体物理学家劳伦斯·克劳斯说，他希望看到坍缩的最后时刻，“以便观测接近黑洞表面的事件，在那里物理学会变得很有趣”。莫纳什大学的天体物理学家埃里克· 特拉内说：“看到两个黑洞合并时产生的引力波，可以为爱因斯坦的广义相对论提供终极检验。黑洞代表着时空最大的弯曲程度，观测两个黑洞的碰撞可以告诉我们引力在最极限时刻的有关信息：强烈、迅速变化的引力场。”巴托斯说，这种碰撞是我们无法通过其他任何手段观测到的。

3.中子星

如果一颗恒星发生了超新星爆发却没有坍缩成黑洞，它就会变成一颗中子星，一种“迷人的天体”。它们极其致密，一茶匙的中子星就重达数十亿吨。在实验室中研究中子星密度下的物质并不容易，但是特拉内说，引力波“或许可以提供一个‘太空实验室，让我们能够了解最大可能密度下的物体”。加州理工学院的理论天体物理学家基普·索恩，在电影《星际穿越》的拍摄过程中跟导演克里斯托弗·诺兰一起工作过，他说他想看看“一个黑洞把一颗中子星撕碎的场景”。在美国航空航天局喷气推进实验室工作的齐雅拉·明格瑞利则希望看到中子星和黑洞的合并，认为这一现象或许能够“为中子星磁场衰退中悬而未决的问题提供洞见”。她说：“这确实是一个激动人心的时代。”

4.早期宇宙

137亿年前宇宙大爆炸时期产生的引力波，很可能仍然存在。“检测这些‘原始引力波可能告诉我们通过其他任何实验都无法揭示的宇宙原理。”特拉内说，“与之相比，我们已经相当了解的宇宙微波背景辐射，给我们揭示的是宇宙近38万年来的信息。”如果能够看到如此久远的宇宙，会让科学家有机会去探测更高的能级以及更基础的物理学。克劳斯还指出，回溯到这样久远的过去，或许还能向我们揭示“其他宇宙的存在”，而这些信息是我们这个宇宙大爆炸之后不久的早期膨胀阶段的产物。

超级计算机模拟的两颗中子星碰撞的过程

5.弦理论中的振荡宇宙弦

巴托斯说，引力波“为研究宇宙提供了一扇全新的窗户，通过这扇窗户向外看，我们可以期待许多令人惊喜的发现”。加州理工学院的宇宙学家肖恩·卡洛说，其中一个惊喜可能是找到弦理论中的振荡宇宙弦。他说：“这真的是远景渺茫，但如果能够发现，将具有划时代的意义。”但对索恩来说，找到宇宙弦并不是“完全的惊喜”，他希望发现“我们从来没有想过的东西”。而对伯吉斯来说，能够检测到引力波他就已经“极其开心”了。“人们想要的是一些能够揭示自然原理的东西，而基本上科学家发现的任何东西都能给我们这样的信息。我只是希望能看到更多。群体的统计学结果永远比某个单一事件能够向我们揭示更多。”