科学家有两种方法来发现引力波

直到最近，引力波还可能只是爱因斯坦想象中的产物。在它们被探测到之前，这些时空涟漪只存在于物理学家广义相对论中。

现在，研究人员不仅有了一种，而是有了两种探测引力波的方法。他们正在寻找更多的方法。范德堡大学天体物理学家卡兰·贾尼说：“这简直太了不起了。我能想到的任何基本物理领域都没有看到这种进展如此之快。”

就像光有光谱一样，引力波也有光谱，即各种波长。不同波长的引力波来自不同的宇宙起源，需要不同的探测器。

目前的探测器

LIGO 在美国以及其合作伙伴 Virgo 在意大利和 KAGRA 在日本探测到的引力波波长为数千公里。这些引力波主要来自质量约为太阳 10 倍左右的黑洞对撞，或密度极高的宇宙粒子——中子星的碰撞。这些探测器还可以探测到某些类型的超新星——爆炸恒星——和旋转快速的中子星——脉冲星——产生的波。

相比之下，跨越光年的巨大波纹被认为是由质量为太阳数十亿倍的巨大黑洞对撞产生的。6 月，科学家们报告了这些类型波的第一份强有力的证据，通过将整个银河系变成探测器，观察波如何改变散布在银河系各处的脉冲星的定期闪烁。

未来的探测器

有了小波和大海啸的等效，物理学家现在希望深入探索宇宙中所有尺寸的引力波的广阔海洋。这些波纹可以揭示关于宇宙中奇异物体秘密生活的新细节，以及宇宙的未知方面。

“我们对引力波光谱的覆盖范围仍然存在很大的空白，”斯坦福大学物理学家杰森·霍根说。但他表示，覆盖所有基础很有意义。他说：“谁知道我们还会发现什么？”

探测宇宙所有引力波的完整组合的追求可能会将天文台带到深空或月球，到原子领域和其他地方。

以下是一些科学家正在关注的寻找新类型波的前沿：

到深空

激光干涉空间天线 (LISA) 听起来起初不可思议。三艘航天器，以 250 万公里的边长排列成三角形，将在围绕太阳的轨道上发射激光到彼此。但欧洲航天局计划在 2030 年代中期进行的这一任务并非空想。它是许多科学家希望突破引力波领域的新领域的最佳希望。

“LISA 是一个令人难以置信的实验，”巴塞罗那自治大学和西班牙高能物理研究所理论物理学家迭戈·布拉斯·特米诺说。

当引力波经过时，LISA 将根据激光束如何干涉来检测三角形边缘的拉伸和压缩。2015 年，一项名为 LISA Pathfinder 的概念验证实验在轨道上飞行，证明了该技术的可行性。

一般来说，要捕捉更长的引力波，需要更大的探测器。LISA 将使科学家能够看到数百万公里长的波。这意味着 LISA 可以探测到质量为数百万倍太阳的围绕黑洞的黑洞，而不是只有 10 倍太阳质量的黑洞。

**去月球**

随着 NASA 的 Artemis 计划旨在重返月球，科学家们正在寻找月球的灵感。一项名为激光干涉月球天线 (LILA) 的提议将在月球上安装引力波探测器。

没有人类活动和其他地球上的震动，引力波在月球上更容易捕捉到。贾尼说：“这就像是一种精神上的宁静。” “如果你想倾听宇宙的声音，这里是太阳系中没有比我们的月球更好的地方了。”

像 LISA 一样，LILA 将有三个站点发射激光到彼此。但它的站点将是围绕月球的三角形，而不是围绕太阳的三角形。每个站点的边长约为 10 公里。这将使 LILA 能够捕捉数万公里到数十万公里长的波。这将填补在空间站 LISA 和地基 LIGO 之间波长测量的空白。

因为围绕的物体，如黑洞，在靠近合并时会加速，因此它们会发出波长越来越短的引力波。这意味着 LILA 可以观察黑洞在合并前的几周内彼此靠近，为科学家提供碰撞即将发生的预警。然后，一旦波长足够短，地面天文台，如 LIGO，就会接收到信号，捕捉撞击的瞬间。

另一种基于月球的选择将使用月球激光测距——一种技术，科学家使用激光测量地球到月球的距离。该方法可以检测到地球和月球之间的波，波长介于脉冲星定时方法和 LISA 看到的波长之间。但该技术需要在月球表面放置改进的反射器——另一个返回月球的理由。

走向原子

LISA、LIGO 和其他激光天文台通过监测激光束如何干涉来检测引力波的拉伸和压缩。但一种提议的方法采用了不同的路线。

而不是寻找探测器臂长度的小变化，这种新技术监视两个原子云之间的距离。原子的量子性质意味着它们表现得像波，可以相互干扰。如果引力波通过，它会改变原子云之间的距离。科学家可以根据这种量子干涉来提取距离变化。

霍根说，这种技术可以揭示波长介于 LIGO 和 LISA 可检测的波长之间的引力波。他是伊利诺伊州巴塔维亚的费米实验室建造原型探测器 MAGIS-100 的一部分。

回到过去

另一项努力旨在确定来自宇宙早期时刻的引力波。这些波会在宇宙膨胀时产生膨胀期间。这些波会有比以往任何时候都更长的波长——长达 1021 公里，或 1 性兆公里。

但寻找这些波的努力在 2014 年出现了 false start，当时 BICEP2 实验宣称在宇宙最古老的光——宇宙微波背景(CMB)中发现了引力波的印记。该主张后来被推翻。

一项名为 CMB-Stage 4 的努力将继续寻找，计划使用多个新望远镜对宇宙最古老的光进行扫描，寻找波的迹象——这次，希望没有任何失误。

追求未知

对于大多数科学家正在寻找的引力波类型，他们对可以期待的内容有一些了解。已知物体——如黑洞或中子星——可以产生这些波。

但对于波长最短的引力波，也许只有几厘米长，“故事就不同了，”日内瓦附近的欧洲核子研究中心理论物理学家瓦莱丽·多姆克说。“我们没有已知的来源……这实际上会给我们 [这些] 引力波足够大的振幅，我们可以现实地检测到它们。”

尽管如此，物理学家还是想检查一下这些微小的波是否存在。这些波纹可能是早期宇宙中暴力事件的产物，例如相变，在这种情况下，宇宙从一种状态转换为另一种状态，类似于水从蒸汽转变为液体。另一种可能性是微小的原始黑洞，它们太小而无法通过标准方式形成，可能诞生于早期宇宙。这些领域的物理学还不太了解，因此“即使寻找 [引力波] 而没有找到它们也会告诉我们一些东西，”多姆克说。

这些引力波如此神秘，以至于它们的探测技术也悬而未决。但波长足够小，可以用高精度、实验室规模的实验看到，而不是庞大的探测器。

科学家甚至有可能重新利用以其他目标为目的的实验数据。当引力波遇到电磁场时，涟漪的行为会类似于被称为轴子的假想亚原子粒子。因此，寻找这些粒子的实验也可能会发现迷你引力波。

本文译自 sciencenews，由 BALI 编辑发布。