激光干涉空间天线（LISA）的引力波观测将具有前所未有的准确性

发表在《自然-天文学》杂志上的一项新研究表明，激光干涉空间天线（LISA）的引力波观测将具有前所未有的准确性，它将能够探测到新的基本场广义相对论是正确的引力理论吗？ 引力可以用来探测新的基本场吗？根据2022年2月9日发表在《自然-天文学》上的这封信（由GSSI的研究员和来自SISSA、诺丁汉大学和罗马La Sapienza的研究人员撰写），表明这些问题的答案可能来自LISA，这个天基引力波（GW）探测器预计将于2037年由ESA/NASA发射。

新的基本场，特别是标量，已经在各种情况下被假设：作为暗物质的解释，作为宇宙加速膨胀的原因，或者作为对引力和基本粒子一致和完整描述的低能量表现。

对具有弱引力场和小时空曲率的天体物理学物体的观测，至今没有提供这种场的证据。然而，研究人员认为，在大曲率下，对广义相对论的偏离，或引力与新场之间的相互作用，将更加突出。由于这个原因，对GW的探测--它为引力的强场制度打开了一扇新的窗口--代表了探测这些场的独特机会。

极端质量比例旋（EMRI）是LISA的目标源之一，其中一个恒星质量的紧凑天体，无论是黑洞还是中子星，吸积成黑洞的质量高达太阳的几百万倍，为探测引力的强场制度提供了一个“黄金舞台”。较小的天体在坠入超大质量黑洞之前进行了数万次的轨道循环，这导致了长信号，可以让人们探测到爱因斯坦理论和粒子物理学标准模型预测的哪怕是最小的偏差。

作者开发了一种新的信号建模方法，并首次对LISA检测与引力相互作用相耦合的标量场存在的能力进行了严格的评估，并测量了标量电荷，这是一个衡量EMRI小天体携带多少标量场的数量。值得注意的是，这种方法是理论无关的，因为它不取决于电荷本身的来源，也不取决于小天体的性质。分析还表明，这种测量可以映射到标志着偏离广义相对论或标准模型的理论参数上的强界限。

LISA致力于探测天体物理源的引力波，将在一个由三颗卫星组成的星座中运行，围绕太阳运行，彼此相距数百万公里。LISA将观测以低频发射的引力波，在一个由于环境噪音而不能被地面干涉仪利用的波段内。LISA的可见光谱将允许研究新的天体物理源系列，与Virgo和LIGO观测到的天体物理源不同，作为EMRIs，为宇宙中各种环境中的紧凑天体的演变打开了一扇新的窗口。

新的探测结果

在探测到的35个事件中，有32个最有可能是黑洞合并--两个黑洞相互旋转并最终结合在一起，这一事件会发射出一阵引力波。

参与这些合并的黑洞有一系列的大小，其中质量最大的黑洞约是我们太阳质量的90倍。由这些合并形成的几个黑洞的质量超过了太阳的100倍，它们被归类为中等质量黑洞。这标志着首次观察到这种类型的黑洞，而天体物理学家早就提出了这种理论。

在35个事件中，有2个可能是中子星跟黑洞的合并--这是一种更为罕见的事件类型，而且是在LIGO和Virgo的最近一次观测中首次发现的。这些新探测到的合并中的一个似乎显示了一个质量约为太阳33倍的大质量黑洞跟一个质量约为太阳1.17倍的低质量中子星相撞。这是迄今为止利用引力波或电磁观测所探测到的最低质量的中子星之一。

黑洞和中子星的质量是大质量恒星如何生存并最终在超新星爆炸中死亡的关键线索。

宾夕法尼亚州立大学毕业生、宾夕法尼亚州立大学LIGO小组成员Becca Ewing说道：“在这次目录的最新更新中，我们终于能观察到黑洞跟中子星的合并，这在以前的任何一次观测中都没有发现。每一次新的观测运行，我们都会发现具有新的和不同性质的信号并扩大我们对这些系统的外观和行为的理解。通过这种方式，我们可以通过每一次新的观测开始越来越多地改善我们对宇宙的理解。”

最后的引力波事件则来自质量约为太阳24倍的黑洞跟质量约为太阳2.8倍的极轻黑洞或极重中子星的合并。研究小组推断它最有可能是一个黑洞，但不能完全确定。2019年8月，LIGO和Virgo发现了一个类似的含糊不清的事件。这个较轻天体的质量令人费解，因为科学家预计，中子星在坍缩形成黑洞之前的最大质量约是我们太阳质量的2.5倍。然而在电磁观测中没有发现质量低于约5个太阳质量的黑洞。这导致科学家们推断，在这个范围内，恒星不会坍缩成黑洞。新的引力波观测结果表明，这些理论可能需要被修正。

重要的进展

自2015年首次探测到引力波以来，探测到的数量以迅雷不及掩耳之势上升。在短短几年内，引力波科学家从第一次观察到宇宙结构中的这些振动到现在每个月都能观察到许多事件，甚至在同一天有多个事件。在这第三次观测期间，引力波探测器达到了有史以来的最佳性能，这要归功于为提高这些先驱性仪器的性能而进行的不断升级和维护计划。

随着引力波探测率的提高，科学家们也改进了他们的分析技术从而确保结果的高度准确性。不断增长的观测目录将使天体物理学家能以前所未有的精度研究黑洞和中子星的特性。

在最近这次运行中的另一个重大进展中，在最初的引力波探测的几分钟内，天文学家向世界各地的其他观测站和探测器发出了呼吁。这个由中微子探测器和电磁观测站组成的网络将注意力集中在波所来自的天空区域，以此对识别源事件展开尝试。而产生引力波的宇宙事件还可以产生中微子和电磁辐射，如果被探测到，则可以提供有关该宇宙事件的额外信息。然而新宣布的引力波都没有报告的对应物。

宾夕法尼亚州立大学助理研究员、LIGO合作项目成员Bryce Cousins表示：“跟其他观测站快速沟通对于检测对应物并为多信使天文学作出贡献至关重要。通过多信号研究一个宇宙事件，我们不仅可以了解黑洞和中子星的具体属性，还可以研究更广泛的天体物理学领域如恒星演化和宇宙的膨胀。在这次观测运行中建立的警报系统和观测站网络对于探测我们在未来的观测运行中更好地理解这些主题所需要的对应物来说至关重要。”

在预计于明年夏天开始的下一次全面观测中，日本的KAGRA观测站也将加入搜索。KAGRA位于一座山的深处，在2020年成功完成了第一次观测运行，但还没有加入LIGO和Virgo的联合观测。有了更多的探测器，潜在的事件就可以被更准确地定位。

“KAGRA加入探测器网络可以为提高引力波候选源的天空定位区域做出贡献，约是2倍，然后这可以有利于对对应物的探测，因为知道源在天空中的精确位置对望远镜进行观测至关重要，”宾夕法尼亚州立大学的研究生和LIGO合作成员Shio Sakon说道，“随着探测管道的发展，LIGO和VIRGO的升级以及KAGRA对探测器网络的参与，我们预计将比以往更频繁地探测和分析引力波候选事件，而发出高质量的低延迟公共警报将对多信使天文学的发展至关重要。”