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作者| NASA 终于进入到最后一章了，在第3章里我主要会介绍其他天文信使的内容。光在传播的过程中往往会和星际尘埃等物质作用导致了电磁观测手段在有些时候并不是那么有效，所以天文学家力求寻找新的不受干扰的手段来探索宇宙。所以第3章介绍的重点将放在天文学家如何使用其他的"信使"来了解未知的宇宙，第3章的目录如下。那么就开始天文学家备忘手册的第3章吧！ 3. 其他的"信使"3.1 引力波3.2 宇宙线3.1 引力波爱因斯坦的广义相对论(General Relativity)在一个世纪前就对引力波的存在进行了预测，引力波可以被比喻成是"时空涟漪"。在广义相对论中描述了时空如何受质量影响——有质量的物体可以让时空本身发生弯曲，如果有质量的物体在运动的话时空的弯曲则会像波一样传播(当然空间实际上是3维的，再加上时间的附加维一共构成了4维的时空)。 为了方便各位读者理解，请想象一下，将一张床单绷紧——这个是没有质量存在的一个"平整的"时空。然后将一颗保龄球放在这张绷紧的床单上。球的质量会导致床单弯曲。离球距离较远的床单下沉的不明显，而距离较近的床单则会明显下沉。保龄球附近区域的床单会拉伸，这就类似存在于空间中的大质量物体会弯曲周围的时空。质量越大，时空的弯曲程度也越大。为了更进一步地理解引力波，可以想象一下，当床单上有两颗保龄球时，它们在彼此的共同质心上运动。这将导致床单上会形成波纹，并且从中心向床单的边缘扩散。如果这不是在床单上，而是在在时空中来看的话，这些波纹就是我们所说的引力波，而且引力波是以光速在向外传播。 图1.存在于大质量物体存在让时空本身发生弯曲示意图(以地球为例).(图片来源: NASA's Imagine the Universe) 引力波从哪里来？ 引力波是由有质量的物体在时空中移动产生的。在宇宙中，产生引力波最简单的系统就是两个绕其共同质心运动的天体系统。这样的天体系统在宇宙中随处可见，双星系统就是其中之一。双星系统是两个天体围绕彼此的共同质心运行。根据天文学家的统计，我们在天空中看到的星星中大约有一半是双星系统的成员。这些天体可以处于恒心生命周期的任何阶段，这意味着普通恒星、巨星、白矮星、中子星或黑洞任意两两组合产生的双星系统都可以在宇宙中找到实例。当然也有可能是两个星系在相互绕转，这两个星系也许最终会合并。身处于星系中央的超大质量黑洞也会合并，向外辐射引力波，当然它们合并就要花费相当长的时间。 图2.中子星合并及其产生的引力波的概念图.(图片来源: NASA/Goddard Space Flight Center) 当恒星、黑洞或星系相互绕行时，它们发出引力波以光速传播，引力波在向外辐射的过程中强度会降低。所以从宇宙遥远的地方传到地球这里来的引力波的波强相当微弱，就像湖面微微泛起的涟漪一样。尽管传到地球的引力波相当微弱，但是引力波可以在时空的"结构"中无阻碍地传播，这种特性为我们提供了电磁波不能提供的关于宇宙深处的信息。 我们该如何检测引力波？ 引力波经过的时候，会使空间发生扭曲，存在于空间中的物体也会有微弱的扭曲。如果要对引力波的存在进行检测的话，可以通过进行检测物体尺寸变化的实验。但是引力波可以造成的物体长度变化的效应相当微弱，引起的长度变化比原子核的长度还要小很多！为此物理学家祭出了"干涉测量法"(Interferometry)，一个著名的测量光速的迈克尔逊干涉实验也是使用的这种方法。测量引力波的实验相当于迈克尔逊干涉实验的放大版，它由两部分组成: 相隔一定距离的"测试质量"(Test Mass, 其实就是一个超大型的反射镜)和超级长的真空管，在管内使用激光来测量"测试质量"之间的距离。 "测试质量"彼此之间保持较大的距离有助于使它们之间的距离变化足够大以进行测量。此外，"测试质量"需要被悬吊起来，需要使用"四阶摆"(Quad)免除了重力以外的所有干扰。然后，再使用激光连续测量每个"测试质量"之间的距离。当引力波通过时，时空会"伸展"或"收缩"，会使光在"测试质量"之间传播所需的时间也会发生变化。 引力波最早是由地面LIGO探测器于2015年在华盛顿和路易斯安那州的地面设施中探测到的。世界上第三台引力波探测器——位于意大利的Virgo探测器也在2017年第一次探测到了引力波。此外还有一个名为激光干涉仪空间天线(Laser Interferometer Space Antenna, LISA)的天文台计划于2030年代初发射，LISA天文台作为欧洲航天局"宇宙视觉计划"(Cosmic Visions Program)中相当重要的一部分。 图3.激光干涉仪空间天线(Laser Interferometer Space Antenna, LISA)天文台的效果图。LISA是由三颗航天器组成的天基引力波天文台，计划于2034年发射。这是ESA宇宙视觉计划中的第三次大型任务(L3).(图片来源: AEI/Milde Marketing/Exozet) 我们将从引力波的探测中了解到什么？ 引力波正在帮助物理学家和天文学家了解一些最基本的物理学定律。引力波可以帮助我们了解宇宙中那些大尺度事件的动力学过程，例如星系的形成与演化，以及位于星系中心的超大质量黑洞的有关信息。在未来科学家借助LISA作为时空的"探针"，可以看到大爆炸之后不到一秒钟内宇宙产生的巨大时空的波动。使用这些信息，我们也许能够有机会了解得知更多有关宇宙如何开始和演化的信息。 相信各位读者对人们发现引力波的新闻印象非常深刻，在3.1节对引力波的介绍也不甚详细。各位读者如果对引力波相关内容很感兴趣的话，可以看看现代物理知识杂志的《引力波百年漫谈》系列(高能所的公众号里也有转载)。在3.2节也就是这个翻译专栏的最后一节，我会介绍另一种信使，宇宙线。宇宙线直接为科学家们带来了宇宙中的物质样本，在粒子物理发展的早期相当多的粒子是在宇宙线实验中发现的。请各位读者继续关注这个翻译专栏，再次感谢大家的阅读。 |
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