对引力波的首次观测“即将”实现

zhixun

The Physics arXiv Blog    2012-11-30 15:08:17
天体物理学家称，此前天文学家低估了引力波的强度，这意味着他们应该现在就能观测到引力波。


引力波是宇宙中的激变事件，例如中子星碰撞和黑洞并合等所产生的时空结构的涟漪。

规模最大，也最容易观测到的此类事件是星系中心的超大质量黑洞之间发生的碰撞。所以，一个重要的问题就是这样的事件发生得有多频繁。

最近，普林斯顿大学的肖恩麦克威廉姆斯（Sean McWilliams）和同事称，此前天体物理学家严重低估了这些激变事件发生的频率。他们的计算表明星系并合的频率要比过去认为的高一个数量级。因此，超大质量黑洞之间的碰撞也一定更常见。

这个研究意义重大，天文学家们为了第一个观测到引力波，正在进行激烈的竞争，但如果这些研究者们是正确的话，证据可能已经存在于最初的观测得到的数据中了。

麦克威廉姆斯和同事所仰赖的证据来自于对星系的大小和质量的各种测量。数据显示在过去的60亿年中，星系的质量增加了一倍，而大小增加了4倍.

天体物理学家知道在这段时间中恒星形成活动很少，因此唯一令星系增长的方式就是通过并合，这个观点也得到了数个关于星系演化方式的计算机模拟的证实。模拟表明星系并合远比天文学家之前认为的频繁。

由此引出了一个有趣的结论——这些星系中心的超大质量黑洞肯定也碰撞地更频繁。麦克威廉姆斯和同事的计算结果认为黑洞并合的频率是通常预期的10到30倍，而来自这些事件的引力波信号强度也是之前估计的3到5倍。

对于天文学家发现这些信号的能力来说这个研究意义重大。因为引力波可以提供研究宇宙的全新方法，因此天体物理学家对它有浓厚的兴趣。
‘
一种探测引力波的方法是测量引力波经过地球时对空间的拉伸和压缩，这样的过程需要用造价数亿美元的仪器进行精确的激光测量。

这些设施中最为灵敏的是位于华盛顿的激光干涉引力波观测台LIGO，最近刚刚进行过升级。这台设施在2018年或2019年前还无法达到其设计灵敏度。

另外一种方法是监测脉冲星所发出的极为规律的射电信号，探测当引力波通过太阳系时，这些信号受空间的拉伸和压缩影响而扭曲的方式。

这种叫做脉冲星计时序列的方法主要依靠已有的的脉冲星观测设备，因此比专门制造的探测器成本低得多。

当然，每个人都想当然的认为更灵敏的专门探测器，例如LIGO会是第一个发现引力波的，虽然还要再等上10来年。

但如果引力波其实比设想的更强的话，情况就不同了。而这正是麦克威廉姆斯和同事所预测的。事实上，他们认为引力波强到足以让现有的脉冲星观测设备有能力发现它们。这个普林斯顿的研究团队说，“我们的计算表明，引力波或许已经可以用脉冲星计时序列已得到的数据探测到了。”

脉冲星计时序列也可以提高灵敏度。如果麦克威廉姆斯和同事是正确的话，引力波几乎肯定在数年内就会被这种方法探测到。他们最乐观的预测是到2016年，脉冲星计时序列就能捕捉到引力波。

他们表示：“我们希望在2016年做到置信度为95%的观测。”

首次对引力波的直接观测将会是天文学史上最重要的突破之一；发现者也几乎锁定了诺贝尔奖。

所以，这项竞赛的奖品无比丰厚，而此次，外围的下注者得到了赢取荣誉的独特机会。