宇宙正低聲吟唱時(shí)空的漣漪

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編譯：汪煜

校對：牧夫天文校對組

后期與責(zé)任編輯：王啟儒

“我們正在將人類的觀測能力推向宇宙邊界，去觀測那些質(zhì)量更大，自旋更快，在天體物理學(xué)上更加奇特且引人入勝的天體。”

通過激光干涉引力波觀測臺（LIGO）捕捉到的那些宇宙信號，我們在地球上“聆聽到”來自時(shí)空的漣漪的數(shù)量逐步突破新高。新信號源種類繁多，從軌道攝動的黑洞到迄今為止最重黑洞的碰撞都涵蓋其中。

時(shí)間回溯到1915年，愛因斯坦曾預(yù)言：當(dāng)宇宙中最致密、最極端的天體（黑洞）發(fā)生碰撞時(shí)，它們會使構(gòu)成空間與時(shí)間的“織物”（統(tǒng)稱為四維時(shí)空）發(fā)生振動。整整一個世紀(jì)后， 2015 年 9 月 14 日，LIGO首次探測到了這些時(shí)空的漣漪。而這些信號來自 13 億光年之外兩顆黑洞的合并。（補(bǔ)圖）

引力波藝術(shù)概念圖

Credit：MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images

自那時(shí)起，LIGO聯(lián)合意大利探測器Virgo、日本 KAGRA 等裝置，陸續(xù)捕捉到了大量來自黑洞合并、雙中子星合并，甚至黑洞與中子星之間“混合合并”的引力波。最新一次數(shù)據(jù)顯示，宇宙幾乎在不斷“嗡嗡作響”（這并不是微波背景輻射），這是身處宇宙級碰撞產(chǎn)生的引力波不停回蕩。

加州理工學(xué)院的研究員Lucy Thomas 在一份聲明指出：“每一次新的引力波探測都會讓我們用數(shù)十年前根本無法想象的方式解開宇宙給予我們似拼圖一樣的謎題。想到未來的觀測可能會揭示出更多天體物理學(xué)的奧秘與驚喜確實(shí)難以令人不充滿激動與期許。”

引力波瞬變目錄4.0（GWTC-4）目錄

Credit：Ryan Nowicki/Bill Smith/ Karan Jani

這份名為引力波瞬變目錄4.0（GWTC-4） 的數(shù)據(jù)包括128個極端遙遠(yuǎn)的引力波源。這些數(shù)據(jù)來自探測器的第四次觀測運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間范圍為 2023 年 5 月至 2024 年 1 月。

在此前的前三次觀測運(yùn)行中，LIGO、Virgo 與 KAGRA 只“聽到”約 90 個潛在引力波事件。令人興奮的是，GWTC-4 本可以更大：由于需要等待數(shù)據(jù)處理，大約還有170個由這些探測器記錄但仍然尚未進(jìn)入正式目錄的事件。卡迪夫大學(xué) LIGO 發(fā)言人Stephen Fairhurst表示 “在過去十年里，引力波天文學(xué)已經(jīng)從第一次探測發(fā)展到觀測數(shù)百起黑洞合并。這些觀測讓我們能夠更好地理解黑洞如何由大質(zhì)量恒星坍縮形成，探究宇宙的演化，同時(shí)也對廣義相對論進(jìn)行越來越嚴(yán)格的檢驗(yàn)。”

GWTC-4 的一個顯著特點(diǎn)是事件類型的多樣性：目錄中既包含迄今觀測到的最重黑洞雙星之一（每顆質(zhì)量約為 130 個太陽質(zhì)量），也包括質(zhì)量嚴(yán)重不對稱的“失衡合并”，以及自轉(zhuǎn)極快的黑洞——其自旋速度可達(dá)光速的40%。在這些極端例子中，科學(xué)家認(rèn)為參與合并的黑洞之所以呈現(xiàn)出極端性質(zhì)，可能是因?yàn)樗鼈冊诖饲熬徒?jīng)歷過合并：一系列的“合并鏈”會使得黑洞逐步成長。這為解釋某些黑洞如何成長為質(zhì)量達(dá)太陽若干倍甚至數(shù)十億倍的巨獸提供了證據(jù)。（補(bǔ)圖）

探測到黑洞與中子星碰撞的圖譜

Credit：LIGO-Virgo/Northwestern U./Frank Elavsky & Aaron Geller

除此以外，GWTC-4 中還包括兩起新的黑洞—中子星混合合并事件。正如目錄所示，我們正在進(jìn)入所謂的“參數(shù)空間”的新區(qū)域，而這新的區(qū)域充斥著全新類型的黑洞。

格拉斯哥大學(xué)研究員Daniel Williams 說：“我們不斷在推動邊界的延伸。我們看到的這些天體更重、旋轉(zhuǎn)得更快，也在天體物理學(xué)上更有趣、更不尋常。”

該目錄同樣展示了 LVK 探測器靈敏度的巨大提升。部分中子星合并事件的探測距離可達(dá) 約 10 億光年，部分黑洞合并甚至來自 約 100 億光年 之外。借助這些觀測，科學(xué)家們得以在極端條件下檢驗(yàn)早在一百多年前就被提出的理論：愛因斯坦的廣義相對論。

到目前為止，廣義相對論已在所有這些檢驗(yàn)中通過考驗(yàn)；但研究者也逐漸意識到，宇宙不斷向我們提供越來越豐富的數(shù)據(jù)，而我們的理論預(yù)測也必須變得更加精確，才能跟上宇宙觀測中所揭示出的細(xì)節(jié)。

——The End——

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