【博科园-科学科普】2017年诺贝尔物理学奖授予Rainer Weiss、Barry Barish和Kip Thorne，以表彰他们对引力波天文学的开创性贡献。
Rainer Weiss,Barry Barish和Kip Thorne是2017年诺贝尔物理学奖得主。图片： Nobel Media AB 2017
当然真正的赢家是LIGO，它在过去40多年的时间里由1000多人组成，随着他们的实验装置越来越先进发达而变得更加敏感，能够探测到时空中逐渐变小的涟漪。2015年所有这些努力都达到了第一次直接探测到引力波的顶峰，这是由于两个巨大的黑洞合并而产生的，大约13亿光年之遥。这两个LIGO天文台以一种令人难以置信的方式完成了这一过程，探测到一种将整个地球压缩到小于原子大小的波。
2015年在地球上第一次探测到太空中的“涟漪”，这是由强大的引力场扰动产生的。这标志着诺贝尔奖历史上科学发现与诺贝尔奖之间最短的时期之一，尽管LIGO在这方面做了40年。图片：LIGO Scientific Collaboration, IPAC Communications & Education Team
当引力波穿过地球时有一个令人难以置信的数量，可以从探测到的信号中知道到它到干涉仪臂上有什么现象原因：
1、膨胀的尺寸会使探测器臂加长
2、而垂直维度将收缩，导致另一个检测器臂缩短
3、随着波的振幅和周期与受激励质量的质量和周期相对应
4、由宇宙扩张史决定的适当拉伸/红移
5、我可以通过接收信号的大小来确定转化为能量的质量
这一信息的提取方法是通过构成干涉仪的两个垂直激光臂的相对运动。
简化了的LIGO激光干涉仪系统的演示图，当激光束聚集在一起时，就产生了一个干涉图样。随着模式的改变提供了引力波的证据。图片：LIGO collaboration
当光沿着这条长路径传播照到镜子时并反射回来，光在旅程上花费的时间取决于路径长度。微小的变化，即使是比单个原子还小的变化也会影响到飞行时间。经过一千次左右的反射后，每个垂直手臂的光被重新组合在一起，形成一个特定的干涉模式。如果光处于相位则会得到100%的建设性干扰；如果光处于非相位就会得到100%的破坏性干扰。这是模式的变化随着时间的推移，从噪声中提取出来，这使我们能够精确地重建出什么类型的引力波信号通过干涉仪了。
第一个对黑洞合并产生的时空扰动被直接观察到。总的信号连同噪音(顶部)明显与引力波模板相匹配，从合并和吸入一个特定质量的黑洞(中)。图片版权：B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
事情是这样的：就像LIGO本身一样伟大，有两个探测器在地球上的位置（距离）并不遥远。探测器可能以45度角向彼此倾斜，但它们在地球上大致相同，因为Lousiana到华盛顿的距离并不遥远。波的到达时间相差很小，科学家可以确认它们以光速运动，但不能在天空中很好地确定信号的位置。而不能很好地测量位置的事实意味着几乎没有机会采取下一个伟大的步骤：将发光的天空与引力波天空联系起来。
但这就是下一个重大飞跃的问题所在。
LIGO Hanford，LIGO Livingston和室女座探测器的位置。注意室女座离与另外两个位置远得多，这就能提供了更多关于引力波的来源的信息。图片版权：NASA/Goddard Space Flight Center, Scientific Visualization Studio, Reto Stockli (NASA/GSFC)
今年早些时候意大利的室女探测器加入了两个LIGO探测器已经开始运行了。是3 / 4的LIGO大小，它对引力波并不十分敏感，但随着未来的改良它的灵敏度会提高，就像LIGO探测器一样。但是室处女座与LIGO阵列相比较的一大优点是三重检测能提供确定位置的信息。试想一下一个引力波（如下图所示）穿过地球，但请记住当你想象这个的时候，室女座探测器离孪生LIGO探测器有多远。
引力波在一个方向上传播，在相互垂直的方向上交替扩张和压缩空间，这是由引力波的偏振所引起的。图片： M. Pssel/Einstein Online
空间可能在两个垂直方向上收缩和膨胀，但是探测器的响应量取决于波的方向。通过在地球的另一个地方添加第三个探测器，科学家们可以确定波从何而来，也可以测量它的偏振。通过测量探测仪中波的到达距离之间的时间检测差异，可以更好地直接控制重力的速度，使之完全等于光速。但最好的进步来自于能够找到波产生的宇宙点。这是与已经存在的两个探测器同时使用第三个探测器的最大进展。
最初的室女座(绿色)和高级室女座(紫色)可以接触到的空间体积。当一个波被一个探测器探测到，一个薄的球形外壳告诉你可能的位置，但是有三个独立的球体和方向信息，位置约束是不可思议的。图片：The VIRGO Collaboration
当一个引力波信号到达时可以测量武器的收缩和膨胀。波浪的振幅和频率允许确定许多关于合并的性质，但不是在天空中发生的。基本上它可以让科学家在探测器周围绘制一个薄的球形外壳，并描绘出波的来源发生在这个范围的某个地方。有了第二个探测器就会得到关于波的传播方向的信息以及第二个薄薄的球体；在这两个球体重叠的地方(通常沿一个宽的圆)回到波的方向，使能形成一个类似弧的约束。但是第三个探测器在增加第三个球体时，一般来说是在另外两个的平面上只需得到一个单点就能确定其位置。
在这个银河系的三维投影到一个透明的全球显示三个证实黑洞合并事件的可能位置观察到两个LIGO detectors-GW150914(深绿色)GW151226(蓝色)，GW170104(红色)，第四个确认检测(GW170814，亮绿色（左下)被处女座和LIGO探测器观测到。同样显示(在橙色)中更低的意义事件LVT151012。图片：LIGO/Virgo/Caltech/MIT/Leo Singer (Milky Way image: Axel Mellinger)
在接下来的几年里又有两个探测器将建造完成——日本的KAGRA和印度的另一个LIGO探测器，这意味着我们在未来将会进行更精确的测量。现在科学家们已经直接看到了四个引力波事件，在识别它们的位置上变得越来越快，这意味着可以更快地执行光学和其他电磁跟踪。如果我们开始将中子星与引力波探测器结合起来就会预期它们会有一个明显的信号。
如图所示两颗中子星的合并会螺旋进入并发射引力波，但比黑洞更难探测。然而与黑洞不同的是会发出一个电磁信号，也许有一天能够探测到并与引力波信号相关联。图片版权：Dana Berry / Skyworks Digital, Inc.
现在已经开始探索引力波天文学的时代，人类不仅仅是在以全新的方式看待天空，而是越来越善于看到它，学习探索解析我们看到东西。由于这些事件是短暂的，只存在很短的时间，现在只有一个机会来看待这些黑洞合并。但是随着时间的推移，未来探测器不断改进将继续看到我们从未有过的宇宙。诺贝尔奖可能已经完成了研究，但真正的引力波天文学的成果仍然存在于巨大的宇宙森林之中。多亏了100多年爱因斯坦等科学家奠定的基础，现在只不过是第一次采摘季节！
作者：Ethan Siegel（天体物理学家）
来自：Forbes science
编译：光量子
审校：博科园
