星系大小的引力波天文台

至十亿个太阳质量黑洞的合并,我们需要观察0.1毫赫兹至0.1赫兹范围内的引力波,这将需要一个臂长数百万公里的干涉仪。

空间激光干涉引力波天文天能做到这一点,欧空局的LISA和我国的太极计划就是这样的一个设备。这些飞船将在绕太阳运行的轨道上跟随地球,其臂长将达到250万公里至300万公里,大约是地球到月球距离的6倍。它必须要那么大,才能听到0.1毫赫到0.1赫兹的引力波。它将看到那些合并的超大质量黑洞,以及数千对白矮星、中子星和黑洞在合并之前发出的微弱嗡嗡声。

脉冲星计时阵列

宇宙充斥着时空涟漪,我们预计存在宇宙早期的微弱引力波背景。这些引力波背景来自双超大质量黑洞,来自宇宙弦(如果它们存在),甚至来自大爆炸后引力与其他力的解耦瞬间。太极计划和LISA可能会检测到其中的一些,但是这种引力波背景中的大部分将具有长达数光年的波长,这超出了我们可以物理构建的任何引力波干涉仪。我们需要一个遍布银河系的完美计时设备网络,事实上,我们已经有一个了。

脉冲星有规律的自转,喷流掠过地球,导致一系列比原子钟更规律的闪光序列。我们已经在使用这些来研究引力波背景,它们的频率范围是1到100纳赫兹。国际脉冲星计时阵列是一项巨大的努力,它与世界各地的许多大学和射电天文台合作,监测数十颗旋转最快的跨越数千光年的毫秒脉冲星。它寻找信号到达时间的变化,这种变化可能表明脉冲星阵列的内部空间结构的微小波动。

这个星系尺度天文台已经在运行,并且已经对引力波背景的幅度设置了宝贵的限制,随着时间的推移和收集到的更多数据,有望产生我们所希望的结果。这可能是我们可以直接观察大爆炸后瞬间的唯一方法,一些科学家甚至试图了解引力波如何与恒星相互作用。

引力辐射应该具有物理效应,正如理查德·费曼首先提出的粘珠论证。他提出了一个简单的引力波探测思想实验,一根带有两个滑动珠子的杆。当引力波通过时,珠子可以自由地跟随空间的膨胀和收缩而运动,而杆子由于其原子之间的原子力而抵抗运动,这就会导致珠子可以沿着杆而滑动从而摩擦生热,这种热能来自引力波的能量。

思想实验是不切实际的,但它表明在适当的情况下,引力波应该能够将它们的一些能量倾倒到物质中,例如倾倒到恒星中。恒星以特定的频率振荡,如果引力波频率与恒星的自然共振频率相匹配,则可以在恒星内部产生振荡。这会产生内部摩擦,加热恒星内部,然后恒星应该会变亮,并且有密集的恒星场中观察到这种效应。