20世紀80年代中期，Bernard Schutz對天文學領域一個最古老的問題——如何測量從地球到宇宙其他物體的距離，提出了新的解決方案。對於幾代人來說，研究人員均依靠一個物體的亮度作為測量其距離的粗略評估。但這種方法存在無盡的複雜性。例如，附近昏暗的恆星可能“偽裝”成距離遙遠的明亮恆星。
英國卡迪夫大學物理學家Schutz意識到引力波可以提供答案。如果探測器能夠測量時空中相互作用的遙遠天體產生的漣漪，那麼科學家就能得到所需要的全部信息來計算信號的起始強度，以及那些漣漪到達地球所需的距離。因此，他預測，引力波是宇宙膨脹速度的明確標記。
他的想法很好但不切實際：當時沒有人能探測到引力波。但去年8月，兩顆中子星距今1.3億年前的合併產生的迴響被地球上的引力波探測器捕捉到了，Schutz終於有機會測試這一概念。幸運的是，這一事件發生在一個距離相對較近的星系，產生了比Schutz夢想的更清晰的首個測量結果。有了這個數據點，Schutz可以證明他的技術有望成為測量距離最可靠的方法之一。“很難相信。”Schutz說，“但它就在那裡。”
更多類似的合併有助於讓研究人員解決目前關於宇宙膨脹速度的爭論。在若干設施的幫助下，如美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）、意大利比薩斜塔附近室女座引力波天文臺Virgo及日本一個類似的探測器，研究人員將很快開始探索更多的合併事件。他們將從太空干涉儀、仍在繪圖板上的地面干涉儀，以及其他可能很快產生第一個引力波探測結果的方式中獲得更多的洞察。
環繞旋轉的線索
對於一個尚不足3年的研究領域來說，引力波天文學在以驚人的速度提供各種發現，這甚至超過了最樂觀的預期。除了在去年8月發現的中子星合併，LIGO還記錄了自2015年以來的5對黑洞合併為更大黑洞的事件。這些發現是迄今為止證明黑洞確實存在，且具有廣義相對論所預測的性質的最直接證據。它們還首次揭示了成對的黑洞在圍繞彼此運行。
研究人員現在希望找出這些配對是如何產生的。當大質量恆星耗盡其內核中的燃料坍縮時，會發生超新星爆發，留下質量相當於幾個太陽甚至是幾十個太陽的黑洞，每一對黑洞中的單個黑洞就會形成。
有兩種主要理論解釋類似的黑洞是如何相互環繞的：它們開始時可能是在彼此的軌道上運行的巨大恆星，但在每個恆星變為超新星爆發之後仍然環繞在一起。或者，黑洞可能是獨立形成的，但後來由於與其他天體之間頻繁的相互引力作用而被驅趕到一起——這種情況可能發生在密集恆星團的中心。
無論如何，這些天體的能量逐漸以引力波的形式分散，這一過程將這對天體拉進一個更緊密、更快速的螺旋中，最終將合併為一個質量更大的黑洞。伯明翰大學LIGO理論學家Ilya Mandel說，如果LIGO和Virgo要看到這樣的一對融合，通常黑洞開始相互環繞的軌道距離小於日地距離的1/4。Mandel說：“如果從兩個距離更遠的黑洞開始，它們將會花費比宇宙年齡更長的時間合併。”
迄今為止發現的5個黑洞合併還不足以確定哪種形成場景占主導地位。但在對去年8月前三次探測進行的分析中，包括Mandel和伯明翰大學理論天體物理學家、LIGO成員Will Farr在內的一個團隊認為，只要再多觀察10次，就能提供支持一種或另一種情況的有力證據。
進一步的觀察還可以提供關於黑洞形成和恆星演化的一些基本問題的見解。最終，黑洞探測將勾勒出宇宙的地圖，就像目前的星系研究所做的那樣，麻省理工學院物理學家、LIGO首席設計師Rainer Weiss說。一旦這些數字堆積起來，“我們就可以開始通過黑洞瞭解整個宇宙，”他說，“天體物理學的每個領域都能從中獲得一些發現。”
期待更多細節
為了提高觀察結果，LIGO和Virgo 都計劃提高其敏感度，這不僅會揭示更多的事件，還會揭示關於每一次合併的更多細節。在全球範圍內建立更多的觀測站也至關重要。在日本地下深處正在建造的一個探測器KAGRA或將在2019年末開始收集數據。它的位置，尤其是它對入射波的取向，將補充LIGO和Virgo的觀測，讓研究人員能夠確定引力波的偏振，從而編碼關於軌道平面方向和螺旋狀運動天體的旋轉信息。印度計劃在未來10年內建造另一個天文臺，該設施的一部分是由LIGO的備用零件製造的。
觀測中子星的合併可能會產生更大的發現。到目前為止，研究人員僅宣佈了一個類似發現，即GW170817。幾乎可以肯定，這個在去年8月觀測到的信號是天文學歷史上研究最多的事件。它一次性地解決了許多長期存在的奧秘，包括宇宙中金和其他重元素的起源，以及γ-射線爆發的一些原因。
進一步的觀察還可以讓科學家探索這些物體的內部。例如，中子星被認為是非常緻密的天體，可能不會坍縮為黑洞，但它的密度究竟有多大卻不清楚。確定中子星的半徑可以讓物理學家對一些理論進行評估，因為他們預測了不同的“狀態方程式”，即連接壓力、溫度和物質密度的公式。這樣的方程決定了物質可在多大程度上被壓縮，由此瞭解一定質量的中子星的寬窄如何，以及類似恆星會有多大。
未來的探測將提供更多的細節。LIGO理論物理學家、賓夕法尼亞大學帕克分校的B. S. Sathyaprakas說，愛因斯坦望遠鏡——歐洲一個團隊所夢想的下一代天文臺，將會讓物理學家遠遠超過上限。“我們希望能夠將中子星的半徑精確到百米級水平。”他說。這樣的精確度令人震驚，因為這些天體距離地球數百萬光年。
“塞壬”的誘人呼喚
GW170817來自對引力波和光的觀測，與此類似的信號可以對宇宙學產生巨大的影響。Schutz在1985年計算出，來自螺旋天體的波頻或音高，以及音高增加的速率，可以揭示關於天體總質量的信息。這決定了它們的引力波在源頭的強度。通過測量到達地球的波的強度（通過干涉儀採集到的信號的振幅），人們可以估計出引力波從源頭開始傳播的距離。
在其他條件相同的情況下，例如，一個距離為兩倍的源頭，將會產生一半的信號強度。這類信號被稱為標準警報聲，這是對測量宇宙學距離的一種常用方法的認可：被稱為標準燭光的恆星有著眾所周知的亮度，這使得研究人員可以計算出它們與地球的距離。
在英語中，“警報聲”與有著誘惑歌聲的女妖“塞壬”為同一個詞，如今，標準警報聲對科學家的誘惑正像塞壬的歌聲一樣。通過將GW170817距離地球的距離與該天域星系遠離地球的速度進行耦合，Schutz和同事們對哈勃常數（宇宙當前膨脹速率）進行了全新的、完全獨立的評估。伊利諾伊州芝加哥大學天文學家Wendy Freedman說，由LIGO、Virgo和其他70個天文學團隊在去年10月16日公佈的一批論文中的結果，“開闢了宇宙學和天體物理學的一個新時代”。
作為對哈勃常數的直接和獨立的測量，標準警報聲有助於解決宇宙學家之間的分歧。而通過使用太空干涉儀，如激光干涉太空天線（LISA）——由歐空局計劃在本世紀30年代發射的3個探測器項目等，標準警報聲可能會成為更強大的工具。在地面上，物理學家也在開始一些“嶄新的冒險”，Weiss說。一個美國團隊設想了一個擁有40公里探測臂（是LIGO的10倍）的“宇宙探索者”，這將會對更遙遠地方發出的信號具有敏感性，或許可以探測到整個可觀測宇宙中的信號。
今年晚些時候，隨著LIGO和Virgo的重新開放，Weiss願望清單上的下一個重大發現來自坍縮恆星發出的信號，這也可能是天文學家觀測到的一種超新星。他對其他可能的發現寄予厚望。“如果我們沒有看到希望的東西，那我將會很失望。”Weiss說。（馮維維編譯）
《中國科學報》 (2018-05-24 第3版 國際)
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