时空涟漪: 科学 2016年度突破
在时空引力波中发现的涟漪在今年震撼了科学界。 它实现了阿尔伯特爱因斯坦100年前做出的预测,并限制了40年的探索,以发现无穷小的涟漪。 但不是故事的结尾,科学家们将这一发现视为新领域的诞生:引力波天文学。

1915年,爱因斯坦解释说重力的产生是因为巨大的物体扭曲了空间和时间,或时空,导致自由落体的物体沿着弯曲的路径行进,例如抛球的弧形或行星围绕其太阳的椭圆轨道。 爱因斯坦然后计算出一种杠铃形的质量分布,像接力棒一样端对端地旋转,应该在时空中辐射出涟漪,这些涟漪在光速 - 引力波上拉伸。 2月11日,与华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的激光干涉引力波天文台(LIGO) - 乐器一起工作的物理学家宣布,他们已经看到了爱因斯坦所预测的:两个黑洞螺旋形成的波浪爆发相距13亿光年远。

胜利是辛苦赚来的。 几十年来,爱因斯坦一直关注是否应该存在引力波。 即使他们这样做,爱因斯坦可以想象的唯一来源,两个轨道恒星,也会产生太弱的波浪无法探测到。 然而,到了20世纪60年代后期,天体物理学家才知道质量密度更大。 他们发现了中子星并梦见了黑洞,当大质量的恒星坍塌到零时,留下了超强的引力场。 在理论上,这些东西可能会产生可观察的波浪。 1972年,剑桥麻省理工学院的物理学家Rainer Weiss提出了一种方案,用称为干涉仪的L形光学仪器检测它们,为LIGO播种。

众心所向

科学网站的访问者有机会在年度突破的候选人名单上投票,而科学编辑和作家正在最终确定他们的选择。 第一轮投票将最高候选人缩小为五人,第二轮投票,其中约225,000张投票,确定了最终的人民选择。 最后,培养技术取得突破,使研究人员能够将人类胚胎在实验室中发展近2周,这一点突破了科学的首选,即引力波的探测。

完整的结果:

43%

引力波32%

13%

7%

5%

在时空引力波中发现的涟漪在今年震撼了科学界。 它实现了阿尔伯特爱因斯坦100年前做出的预测,并限制了40年的探索,以发现无穷小的涟漪。 但不是故事的结尾,科学家们将这一发现视为新领域的诞生:引力波天文学。

1915年,爱因斯坦解释说重力的产生是因为巨大的物体扭曲了空间和时间,或时空,导致自由落体的物体沿着弯曲的路径行进,例如抛球的弧形或行星围绕其太阳的椭圆轨道。 爱因斯坦然后计算出一种杠铃形的质量分布,像接力棒一样端对端地旋转,应该在时空中辐射出涟漪,这些涟漪在光速 - 引力波上拉伸。 2月11日,与华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的激光干涉引力波天文台(LIGO) - 乐器一起工作的物理学家宣布,他们已经看到了爱因斯坦所预测的:两个黑洞螺旋形成的波浪爆发相距13亿光年远。

胜利是辛苦赚来的。 几十年来,爱因斯坦一直关注是否应该存在引力波。 即使他们这样做,爱因斯坦可以想象的唯一来源,两个轨道恒星,也会产生太弱的波浪无法探测到。 然而,到了20世纪60年代后期,天体物理学家才知道质量密度更大。 他们发现了中子星并梦见了黑洞,当大质量的恒星坍塌到零时,留下了超强的引力场。 在理论上,这些东西可能会产生可观察的波浪。 1972年,剑桥麻省理工学院的物理学家Rainer Weiss提出了一种方案,用称为干涉仪的L形光学仪器检测它们,为LIGO播种。

时空涟漪: 科学 2016年度突破
华盛顿州(显示)和路易斯安那州双胞胎中的LIGO探测器看到的碳复制信号。
©Rich Frishman

每个LIGO干涉仪都有两个4-公里长的臂,两端都有镜子,安装在一个巨大的真空室内。 通过在镜子之间反射激光,物理学家可以将臂的长度与质子宽度的1 / 10,000进行比较。 通过引力波通常会使臂伸展不同的数量,这就是LIGO团队所发现的。 第一个信号与计算机建模之间的紧密契合验证了爱因斯坦的引力理论,即所谓的广义相对论,前所未有。

现在,物理学家们热切地期待接下来会发生什么,因为引力波有望以一种全新的方式进入宇宙。 首先,物理学家希望发现更多的事件。 LIGO已经发现了第二个黑洞合并和第三个较弱的信号。 上个月干涉仪恢复采集数据,如果能够达到设计灵敏度,他们最终可能每天平均看到一次黑洞合并。

其他乐器即将加入狩猎。 意大利升级的VIRGO探测器应该在明年初开启。 日本的物理学家正在建造一个名为Kamioka引力波探测器的探测器,LIGO物理学家计划在20世纪20年代初在印度增加一个探测器。 三个或更多个探测器应该能够通过三角测量确定天空中的源。 这可能有助于望远镜在同一事件中回家,并可能从中检测到其他信号。 例如,如果引力波探测器感知到两颗中子星的合并,望远镜就可以从中获取光或X射线,这些信号可以提供有关中子星中奇异物质的线索。

探测器甚至可以测试关于黑洞的更疯狂的想法。 量子理论认为黑洞可能包含一个隐藏的“防火墙”,可以消除掉落的任何东西。如果是这样,合并黑洞会产生引力波回波,一些理论家预测。 其他人推测旋转的黑洞可能会产生一团叫做轴的假想粒子,这些粒子可以通过相互消灭来产生引力波。

与此同时,一些天文学家正试图以不同的方式探测引力波。 在大型星系的心中隐藏着重达数亿或数十亿太阳质量的超大质量黑洞。 当两个这样的怪物合并时,它们会发出巨大强大的波浪,波长长达数十年,比LIGO可以探测到的仪器长几千倍。 为了发现这些波浪,天文学家正在转向称为毫秒脉冲星的恒星时计。

脉冲星旋转的中子星 - 发出令人难以置信的常规无线电波脉冲。 当长波引力波对地球起作用时,它们应该将行星推向一些脉冲星并远离其他脉冲星。 反过来,该运动将缩短或延长脉冲星在不同方向上的脉冲之间的时间,其效果类似于多普勒频移。 由此产生的脉冲星时间变化和相关性应揭示长波引力波的杂音,而较长和较短波的光谱将有助于物理学家追踪星系在整个宇宙历史中形成和融合的速度。 美国,欧洲和澳大利亚的团队希望在2年或3年内看到一个信号 - 尽管美国的努力受到国家科学基金会计划对其使用的两台射电望远镜进行解体的威胁。

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