如何检测引力波留下的“记忆”

2019-12-10 11:15 来源:和讯科技

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时空涟漪想象图(引力波)两个黑洞合并

新浪科技新闻,北京时间,12月10日,据国外媒体报道,引力波以时空涟漪的形式在宇宙中传播,这些时空涟漪是由宇宙中最严重的事件造成的。

利用LIGO和处女座这样的设备,天文学家可以探测到足够强烈的时空波动,足以“波及”地球。当引力波穿过空间时,它们会留下某种“记忆”,即空间和时间的永久曲率,对这种现象的探测可能很快就会实现,这将进一步加深我们对重力的理解。

引力波

尽管爱因斯坦的广义相对论已有一个多世纪的历史,但它仍然是我们理解重力如何工作的最佳理论。该理论将空间和时间结合成一个统一的框架,即“空间和时间”。这个时空不仅是一个固定的阶段,而且随着物质和能量的存在而弯曲或扭曲。

时间和空间的曲率(或扭曲和扭曲)决定了物质是如何运动的。在广义相对论中,从光子到高速子弹再到爆炸的宇宙飞船,所有这些物体都试图直线飞行,但是它们周围的时空扭曲了,迫使它们沿着弯曲的轨迹飞行。这就像试图直线穿过山口,但是你必须沿着蜿蜒的山脉和山谷走。

我们所说的“重力”是所有这些时空扭曲的结果。移动的物体别无选择,只能跟随周围空间和时间的曲率,做出相应的运动。像其他可弯曲的表面一样,时空不仅弯曲或扭曲,还会产生振动。

想象你站在蹦床上,蹦床会因为你的体重而下垂。如果有人跳上蹦床,试图走到你身边,他们会感觉到你的“重力”,只能走一条弯曲的路。然而,如果他们离你足够远,他们甚至不会注意到你的影响。然而,如果你开始在蹦床上跳上跳下,你会发出波浪振动,然后它们会不由自主地被你的动作所影响。

记住过去

引力波以类似的方式运作,通过时空结构本身的波纹传递能量。这些波动的来源几乎可以是任何类型的运动,但是因为重力太弱(它是自然界四种基本相互作用中最弱的),引力波甚至更弱,只有能量最强的运动才能产生能被地球上的仪器探测到的时空波动。

迄今为止,LIGO和处女座已经观察到数十次引力波事件,包括大质量黑洞和中子星之间的合并。这些事件产生的引力波在宇宙中波动,最终到达地球。当它们穿过地球时,它们会非常轻微地移动物体(振幅可能小于原子的宽度)。

甚至我们也受到了影响。此时此刻,你被数十亿光年外的暴力事件产生的引力波轻轻挤压和拉伸。你可能认为一旦引力波过去,事情就会结束,但是重力是一种奇妙的力量,引力波的问题就更加复杂了。

引力波几乎可以由任何运动产生,从相互碰撞的黑洞到你挥舞的双手,甚至引力波本身。当引力波在空间和时间中传播时,它们将成为引力波的新来源,并将继续如此。每一代引力波都比前一代弱,这种效应逐渐积累,在引力波经过后形成科学家所说的时空“记忆”——的永久扭曲。

换句话说,当引力波经过你身边时,你不仅会被暂时拉伸和挤压,而且随着新的引力波一个接一个地产生,你会被永久拉伸。

展望未来

由于引力波如此微弱,天文学家至今还没有发现任何关于时空“记忆”的证据,但理论上它应该存在并潜伏在LIGO和处女座获得的数据中。我们应该看到的是,在确认的引力波事件发生很久之后,探测器的位置将会永久改变。

最近,一群天文学家研究了如何最终看到引力波的“记忆”。由于对每个事件的检测只留下非常微弱的记忆痕迹,因此不能连续观察到这种现象。相反,我们必须整合多个事件来积累证据,证明这种现象的存在。

我们需要多少次事故?研究人员预测,我们需要记录大约2000个独立的黑洞合并来发现引力波留下的永久记忆。这样的探测不会很快实现,但是下一代引力波观测站预计每天将收集大约10个事件,并且可能在一年内找到这样的记忆证据。

如果广义相对论的预测是正确的,那么这种永久的时空记忆应该存在。如果天文学家在多年的搜寻后没有发现任何东西,我们将不得不重新思考我们对重力的理解,看看是否有什么遗漏。(任天)