引力波的无形世界
介绍美国国家航空航天局的好奇宇宙：
我们的宇宙是一个狂野而美妙的地方。加入美国国家航空航天局宇航员、科学家和工程师的行列，每集都有一次新的冒险——你所需要的只是你的好奇心。探索太空服的救生系统，突破音障，在恒星中寻找生命。欢迎第一次太空探险者。
剧集描述：
关于宇宙的信息就在我们身边。但还有更多的信息！引力波是由超大质量星际活动引起的时空中看不见的波纹。与天体物理学家Ira Thorpe和Judy Racusin一起探索美国国家航空航天局如何研究这些看不见的时空弯曲。
伊拉·索普
我能解释引力波的最简单的方法。。。。
【歌曲：《引力波仪器》，作者：格林】
伊拉·索普
…是的，很多人都看过这些照片，认为时空有点像这个橡胶片。你有这样的想法，像恒星和行星这样的大质量物体，尤其是黑洞，可以使时空片变形。
伊拉·索普
引力波就是那张纸上的波纹。你可以想象，如果你在一颗恒星上弹来弹去，你可以在这个介质上产生涟漪。波纹以光速传播，它携带能量，携带动量。它可以携带产生引力波的物体的信息。我们想建造一个引力波探测器，这样我们就可以读取这些波，探测这些波，并用它们来理解产生这些波的物体。
【主题曲：由SYSTEM Sounds创作的好奇主题曲】
主持人帕迪·博伊德：这是美国国家航空航天局的好奇宇宙。我们的宇宙是一个狂野而美妙的地方。我是你的主持人帕迪·博伊德，在这个播客中，美国国家航空航天局是你的导游。
主持人帕迪·博伊德：我们有很多方法来理解我们的宇宙。地球和太空中的望远镜给我们带来了令人难以置信的照片，提供了关于遥远行星和星系组成的信息，甚至为我们提供了人眼看不到的信息。
主持人帕迪·博伊德：但我们用望远镜捕捉到的电磁光并不是宇宙为我们提供的唯一信息！有很多方法可以“感知”或理解宇宙，包括通过一种名为引力波的相对较新的发现。
【歌曲：库恩和戈贝尔的《堆内构件下芯》】
主持人帕迪·博伊德：引力波在时间和空间中传播着涟漪。我们在地球上能探测到的是由非常非常大的物体的引力引起的！中子星、黑洞和绕轨道运行的双星等物质会发出影响深远的引力波，影响它们周围的空间和时间行为。通过使用巨大且高灵敏度的探测器，我们可以感知其中的一些波，并了解更多关于发出这些波的物体的信息。
主持人帕迪·博伊德：你看不到引力波，到达我们身边的引力波也不足以让我们自己感受或体验。但我们正处于学习他们能教会我们关于我们的起源和周围宇宙的知识的最开始。因此，今天我们将与两位天体物理学家一起，踏上他们进入隐形、扭曲时间的引力波世界的旅程。
伊拉·索普
我的名字是Ira Thorpe博士，我研究引力波。
[歌曲：库恩和吉奥贝尔的《突破底线》]
伊拉·索普
除了我们可以旅行到的行星，也许是一些宇宙射线，星际流星等等，我们可以获得的关于宇宙大部分地区的所有其他信息都来自于旅行到我们身边的光。
伊拉·索普
引力波给了我们一个机会，让我们完全脱离电磁波谱，拥有一种不同的信使，一种不同形式的信息，它给了我们不同种类的信息。一些电磁上很难获得的信息很容易通过引力波获得。
主持人帕迪·博伊德：一个物体与周围空间和时间的互动方式可以告诉我们很多关于它的属性！但是，理解这些我们看不到或感觉不到的变化可能很棘手。因此，我们创造了不同的方式来表示和概念化这一重要信息。
主持人帕迪·博伊德：你可能已经看到了计算机生成的引力波图像。想象一下，一张大床单拉得很紧。如果你把一个很重的物体，比如保龄球，放在床单的中间，它会倾斜和弯曲，不仅会影响球落地的位置，还会影响到每个边缘。如果你把球弹回来。。。
[[弹球声]]
主持人帕迪·博伊德：。。。在靠近中间的地方，波纹会非常强烈，随着你向床单边缘移动，波纹会越来越弱。
主持人帕迪·博伊德：当任何物体与我们所说的“时空”——我们所经历的时间和物理“三维”空间——相互作用时，就会发生这种情况。如果有足够质量的东西移动或爆炸，它的引力会扭曲周围的时空“薄片”，并产生涟漪效应。
主持人帕迪·博伊德：我们谈论的物体必须非常巨大，才能让我们的仪器感受到它对我们体验时间或空间的影响……非常巨大！
[歌曲：Coon和Goebel的《事实》]
主持人帕迪·博伊德：尽管我们感觉不到，但我们一直被来自不同太空物体的海浪淹没。
伊拉·索普
地球一直沐浴在引力波中。你必须有难以置信的质量和能量以非常高的速度移动，才能产生可观的引力波。原则上，像地球绕太阳运行这样的东西会产生引力波，但它们太弱了，你永远不会注意到它们。
主持人帕迪·博伊德：我们没有注意到来自我们周围太空物体的这些影响，但这并不意味着所有的引力波都很弱。事实上，科学家们发现的最强的能量释放不是以视觉上明亮的恒星的形式，而是以引力波的形式。
伊拉·索普
只有当你得到像黑洞这样的东西时，你才能产生这些涟漪。一旦你这样做了，它们就会携带大量的能量。自宇宙大爆炸以来，能量最大的单一事件是黑洞的合并，所有的能量都以引力波的形式产生。在那次爆发的最后，每单位时间释放的能量比我们用望远镜看到的任何高能事件都要大。比超新星更亮，比伽马射线爆发更亮，但这些能量都不是光。这一切都是以引力波的形式出现的。
主持人帕迪·博伊德：这些波不仅很强，而且总是很快，就像光一样。事实上，引力波以光速传播：每秒186000英里！
主持人帕迪·博伊德：如果你想研究这些快速移动的太空波纹波，你可能应该把兴趣放在引力非常强的宇宙物体上。
【歌曲：Coon和Goebel的Spotter Undercore】
朱迪·拉库辛
我是朱迪·拉库辛医生。我是一名天体物理学家。我主要研究伽马射线暴，这是我的专长。这是宇宙中能量最大的爆炸。我在当前和未来的任务中工作，我们用这些任务来研究光的最高能量形式。
朱迪·拉库辛
引力波是由大质量物体引起的时空波动，它做了一些不对称的事情。
主持人帕迪·博伊德：不对称意味着不对称或不完全平衡。一颗自转的恒星本身不太可能产生巨大的引力波。一旦你添加了一个轨道伴侣，你就会得到一个不对称性。
朱迪·拉库辛
也许这是一颗密度很大的恒星，上面有一个凸起，或者是两个黑洞或两个中子星，它们正在相互旋转。
主持人帕迪·博伊德：引力波的研究是“多信使天文学”领域的一部分。科学家们对尽可能解开宇宙的所有秘密感兴趣。很长一段时间以来，我们只是用望远镜研究来自遥远物体的光。但光不再是从遥远的物体给我们带来信息的唯一“信使”。我们现在可以使用其他工具来感知宇宙了。
【歌曲：Coon和Goebel创作的颜料Undercore】
朱迪·拉库辛
我们有时谈论引力波，而不是把它看作是在听。它不是真正的，你知道，声音，但它是有频率的东西，就像声音有频率一样。
朱迪·拉库辛
不同质量的物体会在时空中产生不同大小的涟漪。星系中心的超大质量黑洞处于螺旋状，这些黑洞会产生更长频率的引力波。较小的物体，如恒星质量的黑洞或中子星，具有较短频率的引力波。
主持人帕迪·博伊德：请记住，那些“较小”恒星质量的黑洞的质量仍然是我们太阳的10倍。朱迪提到的超大质量黑洞的质量可能是太阳的数百万或数十亿倍。这些是我们在这里谈论的非常非常稠密的物体。
主持人帕迪·博伊德：研究引力波对于建立我们对宇宙的理解至关重要。科学家从这些看不见的波中获得的这种新发现的信息可以帮助我们更全面、更详细地了解我们在太空中的位置。
[歌曲：詹姆斯·卡林·贝克的《生命的圆圈》]
伊拉·索普
宇宙在光和辐射的数量方面非常丰富，它给我们带来了如此丰富的光和辐射。然而，在我们在这个星球上的整个时间里，宇宙中还有另一个隐藏的部分一直伴随着我们。
伊拉·索普
举个例子，你可以给一个人看一张丛林的照片。然后你说，‘好吧，你看到了什么？’你可以看到各种各样的植物，但基本上都是绿色的。
伊拉·索普
然后，如果你播放某人在雨林中录制的音频。现在你会说，‘哦，我，你知道，我听到了这些昆虫，我听到这些鸟，我听到这只美洲豹。’
[[丛林的声音：昆虫嗡嗡作响，鸟儿歌唱，美洲豹咆哮]]
伊拉·索普
如果没有听力，无论你的视力有多好，你都会错过这些东西。当然，如果没有你的视力，你就看不到所有的树和其他一切。
伊拉·索普
你把这两件事放在一起，你就完全了解了发生了什么，然后可能会添加一些气味等等。
伊拉·索普
这就是我们试图做的，为我们理解宇宙的工具包增添另一种意义。
[[丛林之声结束]]
主持人帕迪·博伊德：观测引力波在天文学界是一项相对较新的技术。但物理学家在了解黑洞等超大质量物体之前，就已经对引力和时空进行了理论推导。事实上，我“相对”相信你会认出第一个提出时空中存在波纹的人。
【歌曲：Coon和Goebel主持的报告】
伊拉·索普
从理论上理解引力波的起源可以追溯到大约100年前的爱因斯坦。
伊拉·索普
1915年，他写下了著名的广义相对论。直到几十年后，当天文学家开始了解黑洞等物质可能存在时，当人们开始开发激光和计算机芯片等技术时，人们才开始认真对待，也许我们真的可以探测到它们。
伊拉·索普
那是在60年代，尤其是70年代，人们开始认真建造引力波探测器。
伊拉·索普
直到2015年，我们才真正用LIGO仪器直接探测到了第一个引力波。
主持人PADI BOYD：LIGO仪器由美国国家科学基金会运营。它的名字LIGO代表“激光干涉仪引力波天文台”。该仪器本身是一个巨大的L形结构。每只手臂都有将近四公里，或者两英里半长！
主持人帕迪·博伊德：这台令人难以置信的机器可以检测空间和时间的微小变化。它使用激光和镜子来确定周围的空间是以微小的增量拉伸还是收缩，因为超大质量的物体离它很远。
主持人PADI BOYD：LIGO仪器不仅有两个臂，而且有两个设施，每个设施都有自己的仪器，共同工作，对地球表面更大区域的变化进行更灵敏的检测。一个在路易斯安那州的利文斯顿，另一个在华盛顿州的汉福德。
主持人帕迪·博伊德：这些仪器的工作原理有点像天线。你可以根据天线本身的大小来收集不同的频率。
主持人帕迪·博伊德：爱因斯坦的理论和LIGO仪器的新发现不仅巩固了引力波作为一种感知宇宙的新方式，还让我们对我们的维度如何协同工作有了新的理解。对时空有了新的理解！
伊拉·索普
当我们谈论时空这个术语时，这就是我谈论它的时候，爱因斯坦的工作产生的本质区别是，在此之前，我们会认为时空是物理学发生的一个空框架。宇宙在其中发挥作用。这就像剧院里的包厢，演员们在里面跑来跑去。它只是坐在那里。这就是行动发生的地方。
伊拉·索普
当我们谈论动态时空时，这就是我们理解引力工作的方式，时空与物理学有关，它也是物理学的一个基本组成部分。对我来说，这就是我们所说的时空，它不是一个发生行动的刚性框架，它是行动的一部分。
伊拉·索普
空间的维度，你知道，三个维度的空间加上时间维度。正如爱因斯坦在他的工作中所展示的那样，这些事情以某种有趣的方式相互关联。
主持人帕迪·博伊德：有整本书都是关于爱因斯坦相对论的，但简单地说，它表明引力不仅仅是一种力，而是一个可以扭曲时间和空间的场。
主持人帕迪·博伊德：这是天体物理学家做的非常先进的物理学，他们做了很多功课。但Ira、Judy和他们的同事和我们一样。他们一次把鞋子放在一只脚上，尺寸和你我完全一样。
伊拉·索普
我认为美国国家航空航天局的普通科学家和其他人在同一维度上工作，我们是四维生物，对吧？这意味着空间和时间三者，这就是我们的工作。
【歌曲：泰勒·威尔士的蚂蚁乐器】
主持人帕迪·博伊德：那么，亲身体验强烈的引力波会是什么感觉呢？事实证明，这个名字给了我们一些线索。
伊拉·索普
引力波的表现方式与其他引力效应的表现方式相同，即通过潮汐。你可以认为它们会产生潮汐效应。这就是他们对我们的探测器所做的，我们的探测器只需要非常灵敏就能拾取。
伊拉·索普
所以潮汐效应的意思是，你基本上对同一物体的不同部分有不同的引力。潮汐效应是指你的头比脚用力一点，所以这是一种有效的拉伸。当引力波经过时，在一个方向上会发生拉伸，在相反的方向，或垂直方向上，会发生挤压，然后来回振荡。
朱迪·拉库辛
如果你所在的环境中有强烈的引力波，你会遇到更大的问题，因为你旁边是黑洞或中子星，辐射很强，更不用说会立即把你炸飞的爆炸能量了。
朱迪·拉库辛
这种情况不可能发生在我们附近的任何地方。即使发生在我们的星系中，也会很有趣，但不太可能。
朱迪·拉库辛
你们会经历我想在黑洞周围会发生的那种影响。空间将是拉伸的，时间将是拉伸和收缩的。只是强大的引力将你们拉开，并将你们重新挤压在一起。
主持人PADI BOYD：为了更多地了解这些遥远但迷人的现象，Ira正在欧洲航天局领导下进行一项名为LISA的未来任务。LISA是一个引力波探测器，它不会位于地球上，而是位于大气层之外的广阔区域！
伊拉·索普
所以我们想从太空进行引力波探测，但不仅仅是因为去太空很酷，对吧？去太空很难。
[歌曲：埃利亚斯·拉马尼的《暗流暗流》]
伊拉·索普
将探测器放在地面上，并能够进行诊断、调整和改进，这要容易得多。
伊拉·索普
我们之所以想去太空，是因为我们可以把探测器做得越来越大。通过把它做得越来越大，我们实际上可以获得不同类型的引力波，不同的波长。
主持人帕迪·博伊德：和LIGO一样，丽莎也会有手臂协同工作，感知周围的环境。但是，LISA将由三艘通过长激光连接的轨道航天器组成，而不是扎根在地面上的物理武器！
伊拉·索普
有三个单独的航天器。它们通过这些激光链路相互连接。所以他们在这个三角形的三颗卫星之间来回发射激光。这个特殊任务，激光干涉仪太空天线，或LISA的臂长，每个航天器之间有250万公里。
主持人帕迪·博伊德：提醒一下，LIGO在地面上，它的手臂有4公里长，大约2.5英里长。LISA的手臂将在250万公里（超过150万英里）长的太空中展开。
伊拉·索普
结果是这样的，我保证，这只是巧合，如果你把它画在太阳周围，太阳正好适合它。所以这就是这个仪器的大小，它的大小将是太阳可以容纳的。
主持人帕迪·博伊德：这是天体物理学中一个非常有趣的领域——超大质量物体扰乱了时空的正常秩序。还有很多计划，比如LISA任务，来扩大我们对引力波的理解。但就像美国国家航空航天局的许多事情一样，我们必须做好准备，等待宇宙向我们发送信息。我们可以在实验室里测试地球上的各种东西，但我们无法测试这一点。
伊拉·索普
我们没有能力利用那么多能量，在实验室里制造引力波。
[E（11）]
伊拉·索普
LIGO探测到的第一个来源是一对黑洞，每个黑洞的质量大约是太阳的30倍，它们每秒绕彼此运行多次，每秒数百次。所以，如果你在脑海中想象一下，有一种东西的质量是太阳的30倍，它正在围绕着另一种东西旋转，就像你厨房的搅拌机一样快，那么你就明白了为什么我们不能在地球上建造它。
伊拉·索普
人们提出了一些可能会产生引力波的先进外星文明，这将是他们宣布自己存在的一种方式。我对实际情况有点怀疑，但这是一个有趣的想法。也许我们会看到意想不到的信号。事实上，我希望通过我们已经建造并正在努力建造的地基和天基探测器，我们能看到意想不到的信号。我认为他们中的大多数人会从天体物理学、宇宙学的角度来教授我们关于宇宙的知识。但也许我们会学到一些前所未有的东西。这也是我们做这项工作的另一个原因。
主持人帕迪·博伊德：即使我们从未听到过来自另一个文明的引力波信标，但对我们来说，遵循这些理论并更多地了解事物是如何运作的仍然很重要。
[歌曲：Elias Ramani的《宇宙底层》]
主持人帕迪·博伊德：引力波可以告诉我们很多关于宇宙的信息——它可以展示不同物体是如何相互作用的，解释奇怪的现象，并帮助我们更好地理解我们的宇宙是如何膨胀的。
主持人帕迪·博伊德：但更重要的是，它为更深入地理解物理学以及关于我们宇宙行为的重要真相打开了大门。
朱迪·拉库辛
就像天体物理学中的任何东西一样，我们想知道宇宙是如何运作的。恒星、星系和行星是如何随时间演化的，我的意思是，它告诉我们一些关于我们来自哪里的基本信息，关于我们星系的历史，你知道，我们的太阳系。它也只是学习基础物理，比如物理是如何工作的？引力波是一种独特而不同的看待宇宙的方式。这个领域才刚刚起步。我认为在接下来的几年里，将会有很多令人兴奋的科学发生。
主持人帕迪·博伊德：这一研究领域已经成熟，有了新的知识，作为一名天体物理学家，我迫不及待地想看看我们接下来会发现什么。我们只需要做好准备，让我们的眼睛和耳朵——以及引力波探测器——对宇宙中蕴藏的东西保持开放。
朱迪·拉库辛
你去的任何一个天文台都会提出你要做的某些科学，但总有一些你从未想过会学到的东西。如果你不看，你就看不到那些东西。
【歌曲：好奇号Outro by SYSTEM Sounds】
主持人帕迪·博伊德：这是美国国家航空航天局的好奇宇宙。本集由克里斯蒂娜·达纳编剧和制作。我们的执行制片人是凯蒂·科南斯。好奇宇宙团队包括Maddie Arnold和Micheala Sosby，并得到Christian Elliott的支持。
主持人帕迪·博伊德：我们的主题曲由SYSTEM Sounds的马特·鲁索和安德鲁·桑塔吉达创作。
主持人帕迪·博伊德：特别感谢Amber Straughn、Barb Mattson和Claire Andreoli。
主持人帕迪·博伊德：如果你喜欢这一集，请给我们留言评论，在推特上发布关于该节目的推文并标记@NASA，或者与朋友分享NASA的《好奇的宇宙》。还对美国国家航空航天局好奇吗？你可以向我们发送关于这一集或上一集的问题，我们会尽力找到答案。
制片人Christina Dana
我们今天谈论的任何事情都与时间旅行有关吗？
朱迪·拉库辛
时间旅行是科幻小说中一个有趣的结构。我们确实在时间中旅行，我们向前旅行。嗯，你是否可以倒退是科幻小说或理论家的领域，他们远远超出了我的范围。时间在稠密的引力场中可以移动得更快。或者如果你在加速。如果你以接近光速的速度旅行，那么规则就完全不同了。