我們銀河系里應該有引力波存在？

對于在我們的宇宙中真實存在或產(chǎn)生的黑洞，我們可以觀測到它們周圍物質發(fā)出的輻射，黑洞吸入、合并所產(chǎn)生的引力波，以及引力波的振鈴信號。但是我們目前還沒有探測到銀河系內部有類似的合并。LIGO（激光干涉引力波天文臺）/加州理工學院/麻省理工學院/索諾馬州立大學（奧羅拉 西蒙妮特）

在所有科學領域的研究進展中，最引人注目之一的是我們直接探測引力波的能力。有了LIGO（激光干涉引力波天文臺）和Virgo（室女座引力波天文臺）前所未有的探測能力和靈敏度，這些波動于時空網(wǎng)中強有力的漣漪再也不會被漏掉。相反，我們第一次不僅能夠觀察到引力波，而且能夠精確定位它們的來源，并了解它們的屬性。截至今天，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了11個不同的來源。

但它們都那么遙遠!這是為什么呢?這是阿米他娃·達塔，查揚·查特吉的提問，他們問道:

為什么所有已知的引力波源(聚合雙星)都在遙遠的宇宙中?為什么在我們附近一個都沒有發(fā)現(xiàn)?

讓我們找出答案。

位于比薩附近的卡希納(意大利)的Virgo（室女座引力波探測器）鳥瞰圖。Virgo是一個巨大的邁克耳孫激光干涉儀，臂長3公里，是兩個4公里長的LIGO探測器的補充。這些探測器對距離的微小變化很敏感，這些變化是引力波振幅的函數(shù)，而不是能量。尼古拉·巴道適/Virgo

我的猜測是(這是很可能是錯誤的)——對于任何探測，探測器都需要進行精確地校準。因此，到目前為止，我們所有的發(fā)現(xiàn)都是偶然的。

LIGO和Virgo這樣的天文臺的工作方式是——一束相同頻率的激光被激光分離器分開，沿著它們兩條很長的相互垂直的真空臂傳播，來回反射若干次，最后重新組合在一起。

光是一種電磁波，而當你把多種波結合在一起時，它們就會產(chǎn)生干涉圖樣。如果干涉是建設性的，你會看到相長模式;如果它是破壞性的，你會看到相消模式。在LIGO和Virgo的日常工作情況下，也就是說當沒有引力波穿過它們的時候，你看到的是一個相對穩(wěn)定的模式，只有一些需要探測器處理的隨機噪音（這大部分是由地球本身產(chǎn)生的）。

當兩臂長度相等，且沒有引力波通過時，信號為空，此時的干涉圖樣是恒定的；當臂長變化時，信號為實，而且是振蕩的，干涉圖樣隨時間以可預測的方式進行變化。美國國家宇航局空間站

但是相對于另一條臂，如果你改變其中一條臂的長度，光在這條臂上傳播的時間也改變了。因為光是波，所以在其傳播時即使只有很小的時間變化，就意味著你在波的波峰/波谷模式上的位置也隨之改變了，因此由它與另一個光波結合而產(chǎn)生的干涉圖樣將會改變。

有很多原因可能引起單只臂長的改變:例如地震噪音、街對面的手提鉆、甚至幾英里外經(jīng)過的卡車。但是一種天體物理學的來源也可能導致這種變化:經(jīng)過的引力波。

當引力波通過空間中的某個位置時，它會在交替的時間內在交替的方向上產(chǎn)生膨脹和壓縮，導致激光臂的長度在相互垂直的方向上發(fā)生變化。利用這種物理變化，我們成功地開發(fā)出像LIGO和Virgo這樣的引力波探測器。伊薩·C·卡羅

我們可以通過兩個關鍵因素區(qū)分什么是引力波，什么是地球來源的噪音。

1.引力波通過探測器時，會使兩個臂向相反的方向改變特定的的同相距離。當你看到臂長的振蕩是周期模式時，你可以對你的信號可能是引力波還是僅僅是地球上的噪音源進行有意義的限制。

2.在地球上不同的地方，我們建立了很多探測器。雖然每一個探測器都會因其所在的環(huán)境而產(chǎn)生相應的噪聲，但有引力波經(jīng)過時會對每一個探測器產(chǎn)生非常相似的影響，時間間隔最多為幾毫秒。

你可以從2015年9月14日的觀測中看到這兩種效應都存在。

第一對直接觀測到的黑洞的吸入與合并?？傂盘柡驮肼?頂部)與引力波模板明顯相配，引力波模板來自于合并和吸入特定質量的黑洞(中間)。注意在合并的最后階段頻率和振幅是如何變化的。B.P.阿伯特等人(LIGO科學合作和VIRGO合作)

讓我們回到現(xiàn)在，到目前為止實際上我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了11個獨立的合并事件。這些事件似乎是隨機發(fā)生的，因為只有在吸入和融合的最后階段——兩個黑洞或中子星碰撞前的最后幾秒甚至幾毫秒——我們最靈敏的探測器才能夠捕捉到相應的特性。

如果我們觀察到這些物體的距離，我們會發(fā)現(xiàn)盡管我們的引力波探測器對離我們越近的物體越敏感，但我們發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)物體都在數(shù)億甚至數(shù)十億光年之外。

LIGO和Virgo探測到的11個引力波事件，它們的名稱、質量參數(shù)和其他重要信息以統(tǒng)計表格的形式進行了編碼。當LIGO和Virgo同時運行的時候，注意有多少事件發(fā)生在最后一個月的第二輪運行期間。參數(shù)dL為光度距離;最近的天體是2017年的中子星-中子星合并，離我們約1.3億光年。LIGO/VIRGO合作;預印本: 1811.12907

這是為什么呢?如果重力波探測器對附近的物體更敏感，那么我們是否應該更頻繁地探測它們，而無視我們實際觀察到的情況？

有很多潛在的解釋可以對你期望和不期望的錯配做出說明。正如我們的提問者所提出的，也許這是定向的問題?畢竟這個宇宙中有許多現(xiàn)象，比如脈沖星或耀變體，只有當正確的電磁信號直接“發(fā)射”進入我們的視線范圍時，我們才能看到它們。

這是藝術家對活躍星系核的描繪。位于吸積盤中心的超大質量黑洞向太空發(fā)射一束狹窄且垂直于吸積盤的高能物質射流。一顆大約40億光年遠的耀變體是許多高能宇宙射線和中微子的起源。只有來自黑洞外部的物質才能離開黑洞;視界內的物質永遠無法逃逸。德西，科學交流研究所

這是一個聰明的想法，但它忽略了引力和電磁力之間的根本區(qū)別。在電磁學中，電磁輻射是由帶電粒子加速產(chǎn)生的;在廣義相對論中，引力輻射(或引力波)是由大質量粒子加速產(chǎn)生的。到目前為止，一切都是那么的順利。

但在電磁學中有電場和磁場，運動中的帶電粒子產(chǎn)生磁場。這允許你以準直的方式創(chuàng)造和加速粒子并進行輻射;它不需要以球面的形式展開。然而在萬有引力中，只有引力源(質量和能量量子)和時空曲率。

當你有兩個引力源(即質量)相互吸入并最終合并時，這一過程將發(fā)射引力波。雖然它可能不那么直觀，但引力波探測器對這些波的靈敏度來源于1/r，而不是1/r^2，它將看到這些波的各個方向，不管它們是正面還是側面，或者介于兩者之間的任何地方。美國宇航局、歐洲宇航局模型研究所

事實證明，無論我們是正對著、側對著、又或是斜著看到引力波源都沒有關系;它們發(fā)射出的引力波仍然可測量，且具備可觀察的頻率和振幅。盡管我們觀測到的信號量級和其他定向依賴的屬性可能會有細微的差別的,但從波源產(chǎn)生的引力波以球狀形式向外傳播,只要你有足夠靈敏的探測器，你可以從宇宙中任何地方看到它。

那么，為什么在我們的星系中沒有探測到來自雙星源的引力波呢?

你可能會驚訝地發(fā)現(xiàn)有質量的雙星源，比如黑洞和中子星，現(xiàn)在正在繞軌道運行和吸入。

太空中的雙人芭蕾舞：當兩顆中子星圍繞一個共同的中心“跳舞”時，它們會發(fā)射出引力波（左圖）。因為這樣會導致兩個星體持續(xù)地損失它們的軌道能量，它們會沿著一個螺旋形的軌道慢慢靠近對方，軌道周期也會變短。右側的圖表展示了雙脈沖星PSRJ0737-3039的相關參數(shù)。

從發(fā)現(xiàn)的第一個雙中子星系統(tǒng)開始，我們就知道引力輻射可以把能量帶走。我們觀測到吸入和合并最后階段的雙星系統(tǒng)只是時間問題。美國宇航局（左），普朗克—射電天文學研究所/邁克爾·克拉默

早在引力波被我們直接探測到之前，我們就發(fā)現(xiàn)了一個我們所認為的極為罕見的結構:兩個脈沖星相互環(huán)繞。我們觀察到它們的脈沖時間在某種程度上會發(fā)生變化，顯示出由于引力輻射它們的軌道衰減了。許多脈沖星，包括多個雙脈沖星已經(jīng)被我們觀測到。但凡我們能夠精確地測量它們，我們都能看到軌道衰減，這表明它們在發(fā)射引力波。

類似地，我們也觀察到x線的輻射，這意味著在這兒的中心一定有一個黑洞。雖然只在兩次電磁觀測中發(fā)現(xiàn)了雙黑洞，但我們所知的恒星質量的黑洞是在吸積或虹吸伴星物質時被發(fā)現(xiàn)的，下圖是x線雙黑洞場景。

LIGO和Virgo發(fā)現(xiàn)了一個新的黑洞群，這些黑洞的數(shù)量比之前單獨用x線研究發(fā)現(xiàn)的要多(圖中紫色圓點)。這張圖顯示了LIGO/Virgo探測到的所有10個確定的合并黑洞的數(shù)量(圖中藍色圓點))，以及中子星-中子星的合并(圖中橙色圓點))。隨著靈敏度的提升，從今年四月開始，LIGO/Virgo每周都會檢測到多起合并事件。LIGO/Virgo/西北大學/弗蘭克·埃拉夫斯基

這些系統(tǒng)是:

·銀河系內部豐富的合并事件，

·吸入物質和放射引力波以節(jié)省能量，

·這意味著有特定頻率和振幅的引力波通過我們的探測器，

·產(chǎn)生這些信號的引力波源注定有一天會合并在一起。

但是，我們依舊沒有在我們的地面引力波探測器中觀測到它們。這其中的原因很簡單:我們的探測器的頻率范圍是錯誤的！

無論是舊的、新的、還是計劃建設中的引力波探測器，它們的靈敏度都是不同的，尤其是高級的LIGO(圖中橙色線條)、LISA(圖中深藍色線條)和BBO(圖中淡藍色線條)。LIGO只能探測小質量和短周期的事件;對于質量更大的黑洞或處于早期引力吸入階段的系統(tǒng)，需要更長的基線和噪聲更低的天文臺才能探測到。唐明雷，經(jīng)典量子力學，29（2012）,155006.

只有在合并前的最后幾秒，雙星合并產(chǎn)生的引力波才會落入LIGO/Virgo的探測靈敏度范圍內。對于已經(jīng)彼此繞行了數(shù)百萬年甚至數(shù)十億年的中子星或黑洞，它們的軌道在衰變，它們在更大的徑向分離中發(fā)射引力波。這意味著它們需要更長的時間來圍繞彼此運行，也就意味著它們釋放出來的引力波頻率更低。

我們今天沒有看到雙星在我們星系中繞轉的原因是LIGO和Virgo的臂太短了!如果它們有幾百萬公里長的臂而且有很多反射，而不是只有3-4公里的話，我們已經(jīng)探測它們了。就目前的情況來看，這將是LISA（激光干涉空間天線）的一個重大進步:它可以向我們展示這些將來會發(fā)生合并的雙星系統(tǒng)，甚至可以讓我們預測它會在何時何地發(fā)生!

這三個LISA航天器將被放置在軌道上形成一個三角形的編隊，三角形的中心在地球背后的20°，其邊長為500萬公里。這個圖形不成比例。LISA將比LIGO對更低頻率的引力波源更敏感，包括將來那些LIGO能夠看到的合并事件。美國國家宇航局

在LIGO和Virgo運行的這段時間里，實際上我們并沒有在自己的銀河系中看到任何黑洞或中子星的合并。這種情況并不奇怪;引力波觀測的結果告訴我們，宇宙中每年大約有80萬個黑洞雙星合并在一起。但是宇宙中有兩萬億個星系，這意味著我們需要觀察數(shù)百萬個星系才看到一個合并事件!

這就是為什么我們的引力波天文臺的探測器需要在延伸數(shù)十億光年的各個方向上保持靈敏;否則我們將無法得到足夠的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

先進的LIGO的探測范圍及其探測合并黑洞的能力。請注意，即使波的振幅會隨著r的增大而減?。?/r），但星系的數(shù)量會隨著體積的增大而增加（r^3）。LIGO /安博·斯圖維爾/理查德·鮑威爾/宇宙地圖集

在整個宇宙包括我們的銀河系中有大量的中子星和黑洞相互環(huán)繞。當我們用射電脈沖(對中子星)或x線(對黑洞)尋找這些雙星系統(tǒng)時，我們會發(fā)現(xiàn)它們的數(shù)量其實很多。我們甚至可以間接地觀測到它們發(fā)射引力波的證據(jù)。

如果我們有更靈敏、頻率更低的引力波天文臺，我們就有可能直接探測到我們星系內部產(chǎn)生的引力波。但如果我們想要觀測到一個正在發(fā)生的合并事件就很罕見了。發(fā)生合并前它們可能度過了億萬年的時光，但實際發(fā)生合并的時候只需要零點幾秒。只有在宇宙中撒下一張非常寬的網(wǎng)，我們才能觀測到它們。而令人難以置信的是，可以實施如此大范圍觀測的技術已經(jīng)出現(xiàn)了。