2019-04-05 23:46:01
引力波有助于暴露黑洞暗物质和理论粒子

引力波 - 阿尔伯特爱因斯坦预测的空间结构中的无形涟漪 - 开启了一个天文学的新时代,让科学家们能够看到曾被认为是看不见的宇宙部分,如黑洞,暗物质和理论上的亚原子称为轴的粒子。

在爱因斯坦预测它们作为广义相对论的一部分存在近100年后,引力波首先在2015年被激光干涉引力波天文台(LIGO)的科学家发现,并获得诺贝尔物理学奖。

巨大的仪器拾起的微弱干扰是由两个黑洞在距离地球13亿光年相互碰撞而产生的。当这两个超重物碰撞时,它们变形了空间和时间。

“变形像湖上的涟漪一样传播出来,”意大利罗马大学理论物理学家Paolo Pani教授解释说。 “这些是引力波。”

所有具有质量的物体都会在时空结构中产生轻微的倾斜,创造出我们所谓的重力。但是,只有涉及最重的物体(如黑洞和中子星)的灾难性事件才能产生足以在地球上探测到的引力波。它们以光速射向宇宙,穿过它们路径上的几乎所有东西。

但是,探测这些波浪的能力现在也为天文学家提供了观察宇宙的新方法。 Pani教授领导DarkGRA项目,试图利用引力波探测宇宙中一些最大的奥秘,包括重型异国恒星,暗物质和黑洞本身。

以前天体物理学家被迫通过观察周围材料的行为来推断出黑洞的存在。被认为是倒塌恒星的超重遗骸,它们产生的引力是如此之大,以至于光线都没有逃脱。任何通过黑洞边界的东西,即事件视界,都会停留在那里。

“这就是我们看不到黑洞的原因,”帕尼教授说。 “相反,我们看到他们没有光线。黑洞仍然是一个很大的谜团。”

然而,引力波允许像Pani教授这样的科学家直接观察它们。 “他们是这些物体周围时空的使者,不使用任何中间物,”他说。

通过研究这些波的特征,可以获得有关这些先前不可见物体的质量,旋转,半径和速度的信息。 “我们项目的目标是了解非常紧凑物体的引力波观测,因此我们可以排除或确认其他类型的物体,”帕尼教授说。

根据广义相对论,两个非常紧凑的物体 - 例如白矮星,中子星或黑洞 - 的合并将导致最终物体坍塌形成黑洞。但也有其他理论预测它们也可以形成类似质量和半径的物体到黑洞,但没有事件视界。因此,这些神秘的紧凑物体将具有反射引力波的表面。

“如果有一个表面,在物体合并之后,应该有引力波回波,这是从表面反射的信号,”帕尼教授解释说。应该可以在地球上拾取的信号中检测到这些回波。

暗物质

然而,还有另一种解释会导致黑洞意外地产生回声或其他无法解释的引力波特征 - 它们可能正坐在暗物质浴中,这是一种尚未被看见的假想形式的物质,但被认为是占宇宙中所有物质的85%。这也可以产生一种与众不同的引力波。

“暗物质与其他物质的相互作用很小,所以很难在实验室中进行测试,”帕尼教授说。但通过在引力波中寻找不同的信号,它可以让科学家第一次“看到”它。

一些引力观测只能通过我们看不到的暗物质的存在来解释,或者通过改变我们的引力定律来解释。 Ulrich Sperhake教授是英国剑桥大学的理论物理学家,也是StronGrHEP项目的首席科学家,他将引力波描述为“宇宙的新窗口”,可以帮助我们解开这些谜团。

如果所有这些黑暗物质在它们合并时悬挂在两个黑洞周围,那么这将吸收能量。

这意味着在像LIGO探测到的黑洞碰撞中,引力波看起来会比没有暗物质的引力波有点不同。

他们可以阐明的一个观察性难题是为什么星系旋转的速度超过它们的大小所暗示的。 “旋转速度与内部质量有关,”Sperhake教授说。因此,如果一个星系的旋转速度超过我们所能看到的质量,那么有两种可能的解释:我们要么改变我们关于引力如何工作的基本理论,要么就是我们看不到的星系中的暗物质。

Sperhake教授正在研究的一个想法是用一种新的理论来扩展爱因斯坦的广义相对论,称为标量张量引力。这表明宇宙充满了一个额外的场 - 类似于磁场或电场 - 尚未被发现。

这意味着垂死恒星的超新星爆炸不仅会像引力波一样被看到,而且还会有一些我们可能发现的引力波的余辉。我们可以将LIGO引导到恒星爆炸的天空区域 - 被称为超新星 - 试图从标量场中发现这样的余辉,这可能在实际爆炸后持续数百年。

另外,Sperhake教授正在调查暗物质是否可以用称为axions的理论亚原子粒子来解释。他试图模拟如果这些粒子存在,来自黑洞的引力波的回声可能是什么样的。

“我会说轴心是暗物质的最佳候选者之一,”他说。下一步是将他的模型应用于LIGO收集的数据,以查看理论和观察是否匹配。

美丽的理论

今年早些时候,Richard Brito博士加入Pani在意大利的团队,作为他自己的项目FunGraW的一部分,使用引力波来测试轴突粒子的存在。但他也会用它们来测试爱因斯坦的理论本身,以及它是否在大规模上是不正确的。

“如果我们看到物体几乎像黑洞一样紧凑但没有事件视界,那就意味着广义相对论在这些尺度上是错误的,”他说。

它可能具有重要的日常影响。例如,广义相对论对于GPS的日常运作至关重要。但是,发现爱因斯坦的理论在大规模上被破坏并不意味着它应该被抛弃。相反,可能需要一个附录。

“你很难与爱因斯坦理论的数学清晰度相匹配,”Sperhake教授说。 “它不仅令人惊叹,因为它做了所有奇妙的预测。它具有成为一个美丽理论的吸引力。物理学家有趣地将美丽视为理论中的重要组成部分。”

猜您喜欢的其它内容