科學家將如何繼續尋找引力波
既然第一批引力波訊號已經被探測到，科學家們渴望找到更多的訊號。引力波提供了一種瞭解黑洞和中子星等遙遠物體的新方法；我們可以測量它們產生的引力波，就像我們用電磁輻射觀察遙遠的恆星和星系一樣。
“引力波有一個完整的波長譜。”
昨天發現這一現象的科學合作組織LIGO計劃升級他們的觀測站，使他們的儀器對海浪探測更加敏感。但是LIGO只適合探測頻率極高的波，而引力波的頻率可以跨越幾天、幾個月甚至幾年。為了找到這些型別，科學家需要不同的工具。
科學家們多年來一直在探索其他的檢測方法。一個想法是建造更大的天基波探測器，鐳射束跨越數十萬英里。另一項技術是在多年的時間裡觀察被稱為脈衝星的神祕恆星，看看它們是否被引力波改變。這些努力已經進行了多年，但還沒有出現任何具體的訊號。
然而，這三種探測方法對於研究宇宙中存在的不同型別的引力波都是必要的。”“引力波有一個完整的波長光譜，”美國宇航局天體物理學家艾拉·索普說這些方法是相輔相成的。”
超靈敏ligo
一位LIGO研究人員正在檢查天文臺的一面鏡子(利戈）
LIGO合作組織（代表鐳射干涉儀引力波觀測站）實際上從2002年就開始尋找引力波。但在其運營的頭8年裡，這一合作並未收到任何訊號。”西北大學的理論物理學家、LIGO的合作者Shane Larson說：“我們知道，LIGO的初始階段可能不夠靈敏，無法探測到電波。”。
LIGO還有改進的空間
然後在2010年，為了升級路易斯安那州和華盛頓州的兩個LIGO觀測站，雙方合作關閉了5年。這包括增加一個額外的反射鏡和增加鐳射器的功率。一旦做出改變，LIGO於2015年恢復運營，導致合作的革命性發現。
但LIGO仍有改進的空間，特別是在鐳射方面。LIGO利用鐳射束觀察引力波是否扭曲了時空。科學家們計算鐳射從兩個反射鏡上反彈所需的時間；如果一個引力波透過，光束從每個反射鏡回來需要不同的時間。目前，鐳射的靈敏度令人難以置信，能夠探測到反射鏡位置的變化，而這種變化只有質子大小的萬分之一。但鐳射器還沒有滿功率運轉。”從現在到明年的某個時候，我們會盡可能地敏感，”拉森說。
LIGO光學實驗室（Embry Riddle航空大學）
提高這些鐳射的功率意味著LIGO將能夠探測到來自宇宙更遠地方的引力波。那就太遠了。LIGO探測到的波來自13億光年之外的黑洞。拉森說，他們將能夠探測到比這更遠的黑洞合併。
LIGO還可以看到另一種具有全鐳射能量的神祕物體：中子星。這些超微弱的恆星物體是在恆星死亡後形成的，就像一些黑洞一樣。但是中子星沒有黑洞那麼重，所以它們不會發射出那麼強的引力波。不過，如果鐳射能量充足，LIGO將能夠從6億到7億光年遠的中子星上接收到波。
酶聯免疫吸附試驗
一位藝術家繪製了伊莉莎太空船(（歐空局）
LIGO的儀器非常精確，但合作必須不斷剋服一個大問題：地球。我們的星球是一個嘈雜的地方，附近汽車的移動可能會使利戈的儀器失靈。但這些問題中的許多可以透過轉移到太空來消除。
eLISA擴大了引力波探測的範圍
這就是eLISA背後的想法，也就是進化的鐳射干涉儀空間天線；這是歐洲航天局提出的天基引力波探測器的概念。計劃發射日期為2034年，伊莉莎將把三個不同的航天器送入環繞太陽的軌道，在那裡它們將形成一個等邊三角形。該系統的工作原理與LIGO類似，因為車輛將透過鐳射束連線。然後，這些鐳射就可以顯示出引力波是否改變了航天器內物體的位置。
除了消除地球的運動，eLISA還擴大了引力波探測的規模。LIGO的鐳射射程僅為2.5英里，而eLISA的鐳射射程將超過60萬英里。這使得航天器能夠探測到頻率更低的波。LIGO只能探測到來自快速移動物體的高頻訊號，比如每秒旋轉幾圈的黑洞。但是，eLISA有可能探測到來自太空中移動速度慢得多的物體的波，比如一些雙星中子星系統或大質量黑洞在遠處合併。
脈衝星計時
一位藝術家繪製了一個圍繞脈衝星執行的行星(美國宇航局）
另一種擴大引力波探測規模的方法是觀察奇怪的死星，稱為脈衝星，持續多年。像遙遠的宇宙燈塔一樣，脈衝星是旋轉的中子星，發射出一束長長的電磁輻射。這些光束可以從地球上測量，當它們指向我們星球的方向。這些“脈衝”的時間可以告訴我們是否存在引力波。
脈衝星的自轉週期非常精確，因此很容易預測恆星光束何時經過地球。因此，如果一顆脈衝星的脈衝有任何偏差，科學家可以測量它。這樣，來自脈衝星的光束有點像LIGO使用的鐳射。它們的旅行時間表明它們是否受到引力波的操縱。”北美奈米赫茲引力波天文臺NANOGrav的天體物理學家Maura McLaughlin說：“我們沒有讓人造鐳射穿過真空管，而是讓脈衝星發出的無線電脈衝穿過太空的真空。”。
如果脈衝星的脈衝有任何偏差，科學家就可以測量
利用這種探測方法，科學家們可以探測到過去幾年中頻率極低的波。麥克勞克林說，這些訊號很可能來自彼此繞軌道執行非常緩慢或遙遠的星系合併的黑洞。脈衝星計時也有可能捕捉到更多被稱為宇宙弦的奇異波源。這些是理論上的時空起伏，它們振動並產生引力波。脈衝星甚至有可能揭示大爆炸留下的引力波。
然而，觀察脈衝星還沒有發現任何波的跡象。NANOGrav的合作已經在我們的星系中觀測了大約50顆脈衝星大約10年了，目前還沒有確定的結果。但是麥克勞克林說，他們的資料的靈敏度只會隨著時間的推移而增加，因為他們正在尋找波長更長的波。而LIGO的成功只會推動NANOGrav專案向前發展。”很高興LIGO做了這個檢測，因為它表明我們的方法應該有效。”
- 發表於 2021-05-03 10:56
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