为什么引力波的发现会如此令科学家兴奋？

2017年8月17日，探测器发现了两颗中子星碰撞产生的引力波（在这位艺术家的印象中显示）。科学家们还观察到了能量事件引起的伽马射线爆发。Don Lincoln是美国能源部Fermilab的资深科学家，Fermilab是该国最大的大型强子对撞机研究机构。他还为公众写了关于科学的文章，包括他最近的“ 大型强子对撞机：希格斯玻色子的非凡故事以及其他会让你大吃一惊的东西”（约翰霍普金斯大学出版社，2014年）。你可以在Facebook上关注他 。

引力波研究界似乎有一连串的好运。几个星期前，两个以相应的引力波探测器命名的研究小组--LIGO和Virgo合作 - 首次宣布联合探测时空结构中的这些涟漪。涟漪是由高度精力充沛的粉碎产生的 - 在这种情况下是一对合并的黑洞。几天后，诺贝尔奖委员会宣布，它已授予三位物理学家2017年诺贝尔物理学奖，因为他们可以发现引力波。

他们探测到引力波与一群强大的望远镜所见的遥远的可见光闪现相关联。这一次，观察的是合并，而不是黑洞，而是两颗中子星 - 极其密集的恒星胴体。更准确地说，路易斯安那州和华盛顿州的两个LIGO探测器观测到这些波浪 - 而意大利比萨附近的处女座没有。这意味着事件发生在处女座盲区，这有助于确定合并的位置。

在LIGO探测到引力波后不到2秒，两颗轨道卫星发现宇宙中最强大的爆炸类型，称为伽马射线爆发。爆发起源于NGC 4993，这是一个距离Hydra星座约1.3亿光年的椭圆星系。LIGO和Virgo的合作领导人使用一套长期适用于这种引力波检测的协议，通知了世界天文学界的成员，他们将望远镜转向南方天空的伽玛射线和引力区域。波浪起源。在那里，天文学家在天空中发现了一种新的光。

结合引力波观测可见光与这些宇宙波纹的早期例子不同，并暗示了不同的机制是原因。成对的黑洞无形地融合在一起，但是一对相互撞击的中子星是完全不同的野兽。像这样的事件是灾难性的，加热到不可思议的温度和宇宙中的爆破光。中子星是恒星残骸，当大型恒星进入超新星时会发生，导致它们的核心崩塌。当核心坍缩时，恒星原子的质子和电子合并在一起成为中子。结果基本上是一个紧凑的中子的城市大小的球，但质量与我们自己的太阳相似。中子星物质是非常密集的 - 以至于其中的一小部分物质会像一座小山一样重。

超过一定的阈值质量，中子星不可能存在，因为它们的引力变得如此之大，以至于恒星坍缩成黑洞。这种崩塌发生的确切质量是不确定的，但它取决于中子星物质的温度和中子星旋转的速度。当两颗中子星碰撞时，可能会发生两件事之一。如果两颗恒星足够小，结果将是一颗更大的中子星。但是，如果两颗恒星的总质量超过阈值，则中子星将消失在一个黑洞中。今天报道的数据还不能确定在这种情况下发生了什么。残余物是有史以来观测到的最重的中子星之一，或者是最轻的黑洞之一。

虽然我们无法确定，但结果似乎更有可能是一个黑洞。那是因为黑洞的形成通常伴随着伽马射线的爆发。如果结果是较大的中子星，碰撞中的碎片应该在伽马射线逃逸之前捕获它们。鉴于观察到伽马射线爆发，第一种选择被认为更有可能。但现在要确定两种方式还为时尚早。那么我们对今天报道的事件了解多少？毫无疑问，毫无疑问，这是一个过度使用的玩笑，很久以前，在遥远的星系中，两颗中子星相互绕行。在过去的时间里，它们发出了不可察觉的引力波，这些引力波带走了能量。

阿尔伯特爱因斯坦在1916年预测了引力波的存在，这是他的广义相对论的结果。广义相对论解释了引力作为空间和时间弯曲的行为。巨大的物体实际上扭曲了宇宙的形状。当这些物体移动时，它们可以在空间中设置以光速移动的波浪，就像鹅卵石落入池塘时形成的涟漪一样。

当轨道中子星从引力辐射中失去能量时，它们的轨道半径减小并加速。在两颗恒星合并之前的最后时刻，它们以接近光速的速度行进。由于中子星的质量较低且尺寸大于黑洞，因此与先前观察到的黑洞合并相比，它们彼此之间的距离更远。这意味着发射的引力波比早先发布的类似事件中的引力波要小得多。因此，我们的引力波探测器只对距离地球更近的中子星碰撞很敏感。另外，引力波具有不同的特征。当两颗中子星合并时，可探测的引力波可以持续约一分钟。

相反，引力波穿过宇宙，直到它们越过太阳系。地球上的三个探测器 - 两个在美国（LIGO）和一个在意大利（处女座） - 观察引力波经过的微妙拉伸和压缩空间。每个探测器的形状为L，每条腿长约2英里（3.2公里）。使用激光和反射镜，该设备可以检测到L的每条腿的长度远小于质子的变化。灵敏度相当于测量从这里到半人马座阿尔法星的距离，并且能够看到变化小到厚度的变化。一根头发。随着引力波的发射，伽马射线也随之发射。他们还在NGC 4993和地球之间旅行了1.3亿光年，并由NASA Fermi和ESA INTEGRAL卫星观测到。

智利的一小撮望远镜幸运地成为第一批看到之前没有的新的，明亮的光源的人。例如，布兰科望远镜揭示了合并地点的身份，尽管其他几个设施也进行了同时观察。一旦确定了位置，其他望远镜就可以加入，包括美国宇航局的哈勃太空望远镜和钱德拉X射线天文台。这些观察结果发生在接下来的两周全球。那么，这个观察有什么用呢？那么，我们现在进入了一个天文学的新时代。研究人员在天空中寻找壮观的宇宙事件时，不再局限于电磁波谱; 他们现在可以在混合中添加重力观测。

但是，更具体地说，这一测量最终证实了中子星合并是伽马射线爆发的一个原因。人们早就怀疑这一点，但伽玛射线和引力波的同时观测使其成功。合并中子星也是地球上发现的最重的化学元素的来源。这一新的观察将揭示这是如何发生的。此事件的测量结果已经证实，黄金，铀和铂金已经形成。很可能，你或你父母的结婚戒指的金币起源于数十亿年前两颗中子星的合并。

可以回答的一个基本问题是引力波的速度。长期以来一直被认为是光速，2003年的初始测量是在木星经过一个遥远的类星体前进行的，确认光和重力以相同的速度传播 - 尽管测量不是很精确。然而，今天的测量令人惊叹。在行进了1.3亿光年之后，以重力和微波速度行进的伽马射线在重力的速度下以1.7秒的速度到达地球，引力波首先到达。这是对重力速度的结论性测量。

虽然今天的测量是令人兴奋的，但重要的是要记住它只是一个观察。更令人兴奋的是，天文学家刚刚开始利用这种能力。引力波探测器刚刚开始告诉我们宇宙中一些最暴力的事件。我还不知道他们会告诉我们什么故事，但它会很有趣。