从LIGO / VIRGO实验中获得的关于重力波识别的实验
的前一篇文章具有信息性，其目的不是教学法。 现在，我将尝试回答读者和朋友们有关此主题的问题。 有些人想更好地想象发生了什么，而另一些人想弄清楚为什么这一发现变得如此重要。 因此，我写了这篇文章，解释了中子星和黑洞是什么以及它们的聚变情况，并阐明了这一声明的重要性。 它的重要性包含在多个方面，并且很难将它们简化为任何一个。 此外，我还会回答其他问题。
首先，我要保留一点：我不是中子星聚变和由此产生的爆炸（称为“龙”）的复杂话题的专家。 它们很难合并黑洞。 我自己会发现一些细节。 我希望我能避免犯错，但是在某些情况下，我并没有所有的答案。
关于中子星，黑洞及其聚变的基本问题
什么是中子星，黑洞？它们之间有什么关系？
每个原子由一个微小的原子核组成，原子核由中子和质子组成（彼此非常相似），并被电子松散地包围。 原子的大部分是空的，因此在极端条件下可以将其压碎-但前提是每个电子和质子都变成一个中子（保留在同一位置）和一个中微子（进入空间）。 当一颗巨星的燃料耗尽时，其核炉的压力会下降，并在自重作用下坍塌，从而形成了一种非常极端的条件，可以粉碎物质。 因此，质量比太阳质量大几倍的恒星内部变成直径为几公里的中子球，其中子数接近1，具有57个零。
如果恒星足够大，但又不过大，则中子球变强并保持其形状，恒星的残留物向外爆炸，分解成碎片-这个过程被称为“核塌缩的超新星”。 中子球保持原状-我们称其为中子星。 它由最稠密的物质组成，根据我们的想法，该物质只能存在于宇宙中-跨越几公里的纯原子核。 这是一个非常坚硬的表面。 如果您试图进入一个中子星，那么您的感觉会比如果您以几百公里/小时的速度与一扇关闭的门相撞的感觉差得多。
如果恒星非常大，则形成的中子球会在其自重作用下很快（或立即）坍塌并产生黑洞。 在这种情况下，超新星可能会出现或可能不会出现-恒星可能会消失。 BH与中子星非常非常不同。 BH-这是物质在其内部发生不可挽回的崩溃之后，在重力的作用下无限收缩之后剩下的东西。 而且，如果中子星的表面可以砸向你的头部，那么BH就没有表面-它具有边缘，该边缘仅表示不返回点，称为[地平线]。 在爱因斯坦的理论中，您可以像打开敞开的门一样直接通过它。 您甚至不会注意到过渡的时刻。 （但这在爱因斯坦的理论中是正确的。但是，对于爱因斯坦的理论和量子物理学的结合是否会使这一方面对来访者产生新的危险性存在分歧；这被称为“
防火墙矛盾”，但其讨论将导致我们走得太远。 （理论化领域）。 但是一旦穿过这扇门，就不可能返回。
BH也可以通过其他方式形成-但是这些不是我们可以使用LIGO / VIRGO探测器观察到的BH。
为什么他们的合并是引力波的最佳来源？
产生引力波的最简单，最明显的方法之一就是使两个物体彼此绕轨道运动。 如果将两个拳头放到水中并相互缠绕，就会从不同方向的波浪中吸取水； 这是非常粗略的类比，类似于两个物体彼此围绕旋转时发生的情况，尽管由于物体在空间中移动，所以波浪不会出现在某种介质（例如水）中。 这些是空间本身的波浪。
为了获得强大的GW，必须两个物体都具有非常大的质量，并且它们必须高速旋转。 要达到高速，需要非常强的引力。 为此，对象应尽可能靠近放置（因为正如艾萨克·牛顿（Isaac Newton）已经知道的那样，两个对象之间的重力会随着它们之间距离的减小而增加）。 但是，如果物体很大，它们就不能靠得太近。 它们将相互碰撞并融合很久，直到它们可以加速为止。 因此，为了获得非常快的轨道速度，有必要拍摄两个质量相对较大的相对较小的物体-科学家称之为紧凑物体。 中子星和BH是我们所知的最紧凑的天体。 幸运的是，它们实际上经常成对移动，有时，在合并之前很短的时间内，它们彼此移动得足够快以发出HS，LIGO和VIRGO可以检测到。
为什么这些对象完全成对出现？
恒星经常成对运动。 然后它们被称为
双星 。 它们可以成对地开始生活，在巨大的气体云中一起形成，或者，如果它们分开出现，则可以在充满星星的社区中形成一对，附近的恒星经常彼此靠近飞行。 也许这看起来似乎是出乎意料的，但是这样的一对可以经受住每颗恒星的坍塌和爆炸，这将导致出现两个黑洞，两个中子星或一个BH和一个NS，它们绕着轨道运行。
这些对象合并时会发生什么？
毫不奇怪，可以检测到三类关联：两个BH的合并，两个NS的合并以及NS和BH的合并。 我们在2015年观察到了第一堂课（2016年宣布了这一点），第二堂课于2017年宣布，等待第三堂课只是时间问题。 两个物体可以彼此绕转数十亿年，发出非常缓慢的引力波（这种效果是在70年代观察到的，并因此获得了诺贝尔奖），并逐渐靠近。 直到生命的最后一天，轨道速度才真正开始增加。 在合并之前，它们开始以每秒一转，然后每秒十转，然后每秒一百转的速度旋转。 如果可以，请想象一下：跨越数十公里，彼此位于几公里之外且质量超过太阳的物体以每秒100次的速度彼此围绕旋转。 令人震惊的现象是旋转哑铃，即使19世纪最杰出的头脑也无法想象。 我不认识一个不会崇拜这种奇观的科学家。 这听起来像科幻小说，但事实并非如此。
我们怎么知道这不是科幻小说？
如果我们相信爱因斯坦的引力理论，这不是NF。 她预测，由两个紧凑的物体形成的如此巨大质量的快速旋转哑铃，应该会产生一种特征性的空间扰动模式-引力波。 这种模式既复杂又准确预测。 在出现黑洞的情况下，预测涵盖了直至合并之时及之后的时期，包括对合并产生的更大BH信号的描述。 就NS而言，碰撞发生前不久的时刻，合并本身以及紧随其后的事情变得更加复杂，我们不确定我们是否能完全理解它们，但是在合并之前的几十秒内，爱因斯坦的理论非常准确地告诉了人们期待什么。 该理论预测了进一步的事件-这些波将如何从它们出现的地方长距离传播并到达地球，以及它们如何在具有三个重力波探测器的LIGO / VIRGO网络中出现。 因此，对于LIGO / VIRGO的期望有一些预测：此理论用于预测BH和NS的存在和性质，它们合并的详细特征，所产生的引力波的精确绘制以及引力波如何在空间中精确传播。 LIGO / VIRGO发现了这些引力波的特征模式。 这些数字与爱因斯坦的理论完全一致的事实是有史以来最可靠的证据，表明在这些组合的上下文中使用该理论没有错误。
我注意到证据以某种方式指向自身-但这是科学知识的发展方式，它是一系列详细的一致性检查的形式，这些检查逐渐相互交织在一起，几乎不可能分开。 科学推理不是演绎，而是归纳。 我们这样做并不是因为它在逻辑上是完全合理的，而是因为它运行得非常好-证明是一台计算机，该计算机带有在其中键入此文本的屏幕，带有无线连接的有线Internet以及一个可以用于存储和传输文本。
10月宣布中子星聚变的意义
公告的意义很难解释，因为它包含许多重要的结果，彼此叠加在一起，而不仅仅是一个可以用几句话重述的结果。
这里是我们学到的东西的清单。 它的所有元素都没有震撼宇宙的基础，但每个元素都很有趣，它们共同构成了科学史上的重要事件。
首次确认两个NS合并的观察
我们知道应该进行这种合并，但是我们对此不确定。 而且，由于这些东西离我们太远了，而且它们太小了，无法通过望远镜看到，因此，确保合并发生并了解更多有关它们的详细信息的唯一方法是使用引力波。 未来几年，我们希望在引力天文学如何提高其敏感性的过程中看到更多这样的合并，并且我们将了解更多有关它们的信息。
关于中子星特性的新信息
NZ的存在已被预测将近一百年前，并在60-70年间得到证实。 但是它们的确切特性是未知的。 我们相信它们看起来像巨型原子核，但是它们比普通原子核大得多，以至于我们无法确定我们了解它们的所有内部特性，而且科学界存在着无法轻易解决的争议-但是，也许他们会很快停止。
从合并的中子星引力波的详细绘图中，科学家们已经学到了两件事。 首先，我们已经证实，爱因斯坦的理论正确地预测了NS或BH彼此旋转产生的引力波的基本模式。 但是，与黑海地区不同，关于NS合并后会发生什么的问题更多。 关于合并后我们的夫妻发生了什么问题？是否已形成一个NS，一个不稳定的NS在旋转减速过程中在BH中坍塌，还是BH立即出现？
但是我们已经学到了关于NS内部特性的重要知识。 这种快速旋转的负担会把我和你撕成碎片，甚至会撕裂地球。 我们知道，NS比普通石材强得多，但是强度比普通石材强多少？ 如果它们太脆弱，它们在LIGO / VIRGO的观测过程中会在某个时候断裂，并且预期的简单引力波绘制会突然变得复杂得多。 但这没有发生，至少直到合并之前。 因此，科学家可以利用引力波模式的这种简单性来得出关于固体和固体NS强度的新数据。 随后的合并将增进我们对该问题的理解。 没有其他简单的方法可获取此类信息。
对事件的首次观察，该事件同时产生最强的引力波和明亮的电磁波
BH的合并不应产生强光，因为，正如我提到的那样，它们比石头更像是通往一个看不见的操场的敞开的门，而不是石头，因此它们非常安静地合并，没有明亮和热的碰撞。 但是中子星看起来像是大物质球，因此它们的碰撞会产生大量的任何形式的热量和光-正是您天真地期望的那样。 “光”不仅指可见光，还指所有波长（以及所有频率）的各种电磁波。 科学家将电磁波的频谱分为几类。 这些是无线电波，微波，红外光，可见光，紫外线，X射线和伽马射线-按频率递增和波长递减的顺序排列。
请记住，这些类别以及它们之间的分隔是完全任意的，但是对于各种科学目的而言都是有用的。 黄光，无线电波和伽马射线之间的唯一基本区别是频率和波长； 其他所有东西都是一样的：电场和磁场波。
因此，在两个NS合并的情况下，我们预计由于两个巨大的中子球的碰撞而产生的各种效应会产生不同频率的重力波和电磁波。 但是仅仅因为我们期望它们并不意味着发现它们就容易了。 这种合并很少发生-也许在我们这样的大星系中每几十万年发生一次-因此我们在LIGO / VIRGO中发现的合并通常离我们很远。 如果灯光显示太暗，我们的望远镜将无法看到它。
但是这个节目足够明亮。 太空中的伽马射线探测器立即发现了它，证实了来自两个NS的引力波导致碰撞和合并的事实，并产生了非常高频率的光。 这本身就是独特的东西。 仿佛一个人一生都在看闪电，却从未听见雷声。 或者他看着飓风带来的海浪，却从未见过飓风本身。 我们立即看到了合并的两种表现形式，这一事实为我们打开了全新的视野。 有时一加一给出两个以上。
在数小时和数天后，随着时间的流逝，还在可见范围，紫外线，红外线，X射线和无线电波中观察到了融合的影响。 有的比其他人来得早，而其他人本身就是一个独立的故事，但每个人都增加了我们对合并过程的了解的宝库。
确认有关伽马射线短脉冲爆发源的最佳猜测
多年来，我们一直观察到伽马射线爆发。 其中，一类突发的持续时间比其他突发短，通常持续几秒钟。 它们来自天空的所有部分，这表明它们来自遥远的星际空间，大概来自遥远的星系。 在其他解释中，这些爆发起源的最流行假设是NS的融合。 确认这一假设的唯一方法是检测这种合并的引力波。 该测试现已通过； 显然，这一假设得到了证实。 这意味着我们第一次对这些短暂的伽马射线爆发既有很好的解释，又基于它们出现的频率，对宇宙中NS融合的频率有了很好的估计。
首次使用引力波和电磁波的红移测量到源的距离，这使得以新的方式校准宇宙的距离尺度及其扩展速度成为可能。
两个BH或NS的及时合并所引起的引力波变化模式十分复杂，足以向我们揭示有关合并对象的许多信息，包括其质量的估计和旋转对相对于地球的方向。 海浪的一般强度，加上海浪的质量知识，向我们揭示了这对海浪与地球的距离。 这本身并不坏，但是真正的好处是当我们用可见光或任何频率低于伽马射线的光打开物体时。
在这种情况下，可以确定这些中子星所在的星系。了解他们的家乡银河系，可以做一些非常重要的事情。看着星星的光芒，我们可以确定星系离开我们的速度有多快。对于遥远的星系，由于宇宙的膨胀，它们离开我们的速度应与到它们的距离有关。最近已经非常精确地测量了宇宙快速扩展的方式，但是问题是，这种测量使用了两种不同的方法，这两种方法并不一致。这种不匹配是我们对宇宙的理解中最重要的问题之一。也许其中一种方法是不完善的，也许-而且会更有趣-宇宙不按照我们的思维方式行事。引力波为我们提供了第三种方法：它们直接报告到银河系的距离，而电磁波直接给我们带来失控的速度。对于遥远的星系，没有其他方法可以进行这种类型的联合测量。这种方法不够精确，无法用于单个合并，但是在观察了数十次合并之后，平均结果将为我们提供有关宇宙扩展的重要新信息。与其他方法结合可以帮助我们解决这个重要难题。到目前为止，对爱因斯坦预测的最好检验是光速和引力波的速度是一致的：由于合并产生的伽马射线和引力波的峰值相距两秒，在1.3亿年后，即传播了约五千次万亿秒-我们可以说光速和引力波速度等于速度的宇宙极限，精确度为每20亿亿分之一。这种精确的验证需要结合观察重力波和伽马射线。确认有效创建重元素
早就知道我们是由出现在恒星或星尘中的物质组成的。但是，如果您开始处理此过程的细节，就会出现困惑。众所周知，所有化学元素，从氢到铁，都是在恒星中形成的，并且可以在超新星爆炸中被扔到太空中，然后在这里和那里漂浮，最终形成行星，卫星和人。但是目前尚不清楚其中一些较重的元素是碘，铯，金，铅，铋，铀等。是的，它们可以发生在超新星中，但这并不简单。显然，在宇宙中，重元素的原子比超新星所解释的要多。宇宙历史上有许多超新星，但是它们产生重元素的效率太低。一段时间以前，有人建议中子星的聚变可能是产生这些重元素的合适选择。尽管这种聚变很少见，但由于重元素的原子核包含许多中子，因此它们会更加有效，而且毫不奇怪，两个中子星的碰撞将导致该碰撞的碎片中出现许多中子，适合于产生上述原子核。该过程的关键指标如下：如果可以使用引力波检测中子星的聚变并使用望远镜确定其位置，那么人们可以研究其光并在其中找到现在称为“ 千里爆炸”的特征痕迹。”我个人不知道公斤的所有细节。它是由重元素的形成推动的。所获得的大多数原子核都是放射性的，即不稳定的，然后它们会衰变，发出包括光粒子（光子）在内的高能粒子，属于伽马射线和X射线。最终的特征辉光应该具有某些特征：最初应该是亮的，但是随后在可见光下突然熄灭并在红外线下发光很长时间。原因很复杂，所以现在就省略它们。重要的是要记录这些特征，这证实了所需类型的千克的出现，因此，在这种中子星聚变中，实际上产生了大量重元素。因此，现在我们第一次有了很多证据我们星球及其周围的几乎所有重化学元素都是在中子星汇合期间形成的。我再说一遍，如果我们不确定该事件是否是中子星的合并，我们将不知道这一点，而这种信息只能从引力波的观测中获得。杂项问题
这两个NS合并会导致新的BH，更大的NS或不稳定的快速旋转的NS，然后在BH中崩溃吗？
我们尚不知道这一点，也许我们不会知道。一些参与实验的科学家倾向于使用BH，而另一些人则认为这是不准确的。不知道一段时间后我们还能获得什么其他信息。如果两个NS组成一个BH，千位将在哪里？为什么所有这些都不吸引到BH？
BH-不是吸尘器；它们像地球和太阳一样，通过引力吸引一切，并且不会以任何特殊方式吸收物质。他们唯一的区别是，如果您向内坠落，就不会脱身。但是就像可以避免与地球或太阳发生碰撞一样，如果以足够快的速度进入轨道，或者在到达地平线边缘之前走到一侧，也可以避免掉入BH。NS合并的本质是，在合并的那一刻，作用在它们上的力量是如此之大，以至于一颗星或两颗星都被撕裂了。结果，以高速向各个方向喷射的物质会以某种方式产生明亮的伽马射线热爆发，结果，由于新产生的原子核，千发发光。这些细节对我来说尚不清楚，但我知道，已使用近似方程式和计算机 模拟对它们进行了仔细研究。但是，模拟的准确性只能通过对合并的透彻研究来确认-只是公告中提到的那个。显然，这些模拟做得很好。我相信与获得的数据进行比较后，它们将得到改进。