星系大小的引力波天文臺

至十億個太陽質量黑洞的合併,我們需要觀察0.1毫赫茲至0.1赫茲範圍內的引力波,這將需要一個臂長數百萬公里的干涉儀。

空間激光干涉引力波天文天能做到這一點,歐空局的LISA和我國的太極計劃就是這樣的一個設備。這些飛船將在繞太陽運行的軌道上跟隨地球,其臂長將達到250萬公里至300萬公里,大約是地球到月球距離的6倍。它必須要那麼大,才能聽到0.1毫赫到0.1赫茲的引力波。它將看到那些合併的超大質量黑洞,以及數千對白矮星、中子星和黑洞在合併之前發出的微弱嗡嗡聲。

脈衝星計時陣列

宇宙充斥着時空漣漪,我們預計存在宇宙早期的微弱引力波背景。這些引力波背景來自雙超大質量黑洞,來自宇宙弦(如果它們存在),甚至來自大爆炸後引力與其他力的解耦瞬間。太極計劃和LISA可能會檢測到其中的一些,但是這種引力波背景中的大部分將具有長達數光年的波長,這超出了我們可以物理構建的任何引力波干涉儀。我們需要一個遍佈銀河系的完美計時設備網絡,事實上,我們已經有一個了。

脈衝星有規律的自轉,噴流掠過地球,導致一系列比原子鐘更規律的閃光序列。我們已經在使用這些來研究引力波背景,它們的頻率範圍是1到100納赫茲。國際脈衝星計時陣列是一項巨大的努力,它與世界各地的許多大學和射電天文臺合作,監測數十顆旋轉最快的跨越數千光年的毫秒脈衝星。它尋找信號到達時間的變化,這種變化可能表明脈衝星陣列的內部空間結構的微小波動。

這個星系尺度天文臺已經在運行,並且已經對引力波背景的幅度設置了寶貴的限制,隨着時間的推移和收集到的更多數據,有望產生我們所希望的結果。這可能是我們可以直接觀察大爆炸後瞬間的唯一方法,一些科學家甚至試圖瞭解引力波如何與恆星相互作用。

引力輻射應該具有物理效應,正如理查德·費曼首先提出的粘珠論證。他提出了一個簡單的引力波探測思想實驗,一根帶有兩個滑動珠子的杆。當引力波通過時,珠子可以自由地跟隨空間的膨脹和收縮而運動,而杆子由於其原子之間的原子力而抵抗運動,這就會導致珠子可以沿着杆而滑動從而摩擦生熱,這種熱能來自引力波的能量。

思想實驗是不切實際的,但它表明在適當的情況下,引力波應該能夠將它們的一些能量傾倒到物質中,例如傾倒到恆星中。恆星以特定的頻率振盪,如果引力波頻率與恆星的自然共振頻率相匹配,則可以在恆星內部產生振盪。這會產生內部摩擦,加熱恆星內部,然後恆星應該會變亮,並且有密集的恆星場中觀察到這種效應。