使用一般相对性来放大宇宙

时间：2022-06-03 09:58:04来源：

地球上没有发现最强大的已知放大镜之一。镜头是由恒星，天然气和暗物质建造的，距离大约40亿光年之差。作为天文学家通过它同行，他们发现超过130多年前分散在宇宙周围的星系的种子。

该镜头被称为Abell 2744，一个宇宙堆叠，其中四组星系是碰撞，以创造一个带有大约2个千年太阳的古兰西群岛（SN：6/13/15，p。 32）。来自所有这些质量的重力重定向任何试图潜行过去，弯曲和聚焦它的光线，从群体远远超过群体的星系的更大和更亮的图像。

Abell 2744作为天文工具是有用的，因为宇宙奥伯特艾对爱因斯坦的一般相对论理论。该理论描述了重力，质量，空间和时间在一起建立一个宇宙。它形成了科学的基岩对宇宙的理解。对于今天的天文学家来说，一般相对性的两个主要后果 - 质量灯光的力量加上Quantes加速 - 为调查宇宙提供强大的工具时产生的涟漪。太空中的巨型镜头是探索星系起源的最前沿。同时，难以捉摸的引力波可以揭示恒星尸体之间的看不见的碰撞，例如黑洞和中子恒星。

引力镜头和波浪不是新的想法。爱因斯坦知道他的理论意味着两者都存在。1937年，Caltech Astrophysicist Fritz Zwicky提出了镜片应在一些大规模的星系周围找到。在天文技术之前通过了几十年来验证了这个想法：直到1979年直到1979年，天文学家在银河系的炽热心脏的正面旁边瞥见的双重图像中检测到引力透镜的真实例子，类似于一对迎面而来的车灯。

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爱因斯坦计算了一颗星的重力如何放大另一个遥远的恒星的光，但他也推理看到它的几率很远。近年来，光学重力透镜实验，若干努力检测星系在星系中的星星前徘徊的几项努力，每年录得约2,000个可能的事件。

“这是有趣的今天镜头是如此尊重，”德国欧洲南部天文台的天体物理学家Richard Ellis说。“当它被视为有点古怪时，我已经老了。”

在过去几十年中，镜头已被用来研究各种方式。来自单星的一些附近的镜片在我们自己的星系中揭示了行星，包括一些孤儿，其中一些孤儿穿过银河系，没有太阳打电话回家（SN：4/4/15，p。 22）。其他镜头，如abell 2744，让天文学家对宇宙同行，看到在早期宇宙中成长的星系。

现代星系的种子

望远镜回顾时间;来自最遥远的地区的光线为近乎整个宇宙的1380亿历史悠久。作为天文学家如此遥远的星系（迄今为止的时间），他们希望能找到最终成为现代星系的种子。然而，只有异常明亮的星系通常可以在这种距离上被发现。

宇宙看玻璃

有时星系可以用作更远的星系的镜头。

NASA，ESA，G. Bacon和F. Summers / Stsci

到目前为止宇宙边缘看到的一切都是最聪明，最大，最疯狂的，“巴尔的摩太空望远镜科学研究所的天体物理学家詹妮弗Lotz说。但是，我们的银河系，“不是大而疯狂;这更典型。“为了找到那些更经典的，较少的艳丽蛋白酶需要一个非常大的放大镜。

Lotz领导着为期三年的努力，被称为前沿领域项目，凝视着六个大规模的集群与哈勃太空望远镜，并追捕与我们自己相似的星系的种子。已经分析了四个集群;剩下的两个现在正在受到审查。

在通过其中一个集群中的阉割，Abell 2744，天文学家最近发现了一个众所周远的星系之一的候选人，一个幼儿在大爆炸后长大约500万年。星系看起来是一种微弱的红色涂抹 - 或者相当，三个污迹 - 因为它的光穿过群集的多个路径。这个遥远的星系是微小而致密的，挤压大约40万张太阳的质量，只有几百个轻微的年龄。与银河系相比，这是一个苍白的圆点。如这些图像添加到天文学家的剪贴簿的剪贴簿如何在宇宙的历史上增长。

星系的积木不是这些镜片背后潜伏的唯一东西。3月，研究人员宣布他们看到了同样的超新星而不是四次（SN在线：3/5/15).

“我只是没想到的是根本看，”Lotz说。“我们很幸运。时间是完美的。“

来自爆炸之星的光线，占地94亿年到达地球，正好落在一个坐在其中一个边界领域集群中的一个星系上。Galaxy的重力沿着四个不同的路径引导光线，创造了一个四倍重播，每个额外的闪光灯出现在前任后几天到几周。

“故事没有完成，”她说。“我们预计另一个人在明年或两个人出现。”通过研究镜头如何扭曲从背景星系的光线，研究人员计算了光明的第五条道路。天文学家现在有一个难得的机会在出现之前了解超新星。“这是一个引力镜头的惊人典范，”Lotz说。

扩张斜坡

由大规模集群构建的强大引力镜片是强大的工具。但他们并不是很常见。来自大多数星系的光线不会通过围绕诸如Abell 2744的群体来接地。但是有很多较小的簇和长长的星系，称为银河系细丝，灯光与灯具一起小巧，产生弱镜片。“每个遥远的物体都有它的形象扭曲了少量，”贝加维亚的费尔维国家加速器实验室的天体物理学家Joshua Frieman说。

一个超新星出现四次（箭头），因为它的灯沿着介入的星系周围的多个路径遵循。NASA，ESA，S. Rodney / Jhu，Frontiersn团队; T. Treu / UCLA，p。凯利/乌克尔伯克利，玻璃队; J. Lotz / STSCI，Frontier Fields团队; M.邮递员/ stsci，冲突队; z. levay / stsci

这种微妙的扭曲可能是解开现代天文学中最棘手的一个灭火器之一的关键：是什么导致宇宙扩张加速？

其他星系的超新星显得比逐步扩张的宇宙所期望的更远。大约7亿年前，有些东西踩到了宇宙加速器，并拿起了扩张的步伐。

研究人员称这种令人厌恶的力量“黑暗能量”（SN：5/5/12，p。 17）。他们不确定它是什么，但一个想法是它是一直存在的空间的内在财产，潜伏在背景中。在某些时候，随着宇宙伸出的，物质和能量的密度足以让黑能量变得优势。

当他意识到他的理论描述了一个不稳定的宇宙时，这一想法始于爱因斯坦，其中重力可以在大规模的崩溃中向内拉动其所有星星。清楚地没有发生，所以他捏造了他的等式，并以“宇宙学常数”添加了正确的东西。

“为了达到这一态度的观点，”爱因斯坦于1917年写道，“我们不可否认引入引力的拓展方程的延伸，这不受我们对我的实际知识的理解。”

在1929年报告的Edwin Hubble报告后，他在1929年报告的时候放弃了这个想法，星系似乎在更大的速度下彼此再次转向他们 - 这是一个暗示宇宙正在扩张的发现。但爱因斯坦的创造性会计已经回到了时尚。今天他的宇宙常量可能是描述暗能如何膨胀宇宙的参数。

不过，天文学家需要了解一些关于黑暗能量的事情。例如，黑色能量真正常数，ellis问，或随着时间的推移而变化？“直到我们衡量它的时间，”他说，“我们不知道。”

黑暗能源与暗物质竞争 - 这是一种难以捉摸的物质，持有星系和他们的集群 - 为宇宙建立脚手架，原子可以聚集在一起，形成星星和行星的地方。暗物质将事物拉在一起，黑暗能量试图撬开它。“这是一个史诗般的斗争，”Frieman说。

Frieman领导了一个名为黑暗能源调查的项目，其中一部分是花费五年来跟踪这种拔河随着时间的推移如何变化。该调查正在寻找由该脚手架产生的弱引力镜片。隐藏的暗物质缓存略微歪斜的图像数千个星系，这些星系分享了同一块天空。通过衡量约2亿星系的非常微妙的扭曲，研究人员将暗物质丛中映射到宇宙大约其当前大小的一半（SN：5/16/15，p。 9）。了解宇宙丛生的变化如何改变，从而将有助于研究人员了解如何，或者暗能也会发生变化。

黑暗能源团队在第三年，开始将数据从第一季分析。Frieman希望前两年的合并数据应该开始排除一些关于黑暗能量的想法。

太空涟漪

即使有引力镜头，有些事情也太过分或太微弱了。幸运的是，爱因斯坦的宇宙有一个工作：引力波。当质量褶皱时造成的重力是时代的织物。就像一个球弹出橡胶板一样，任何加速质量都应该发射引力波，导致空间本身伸出和挤压的涟漪。

图形后的故事继续

调整重力

就像在收音机上的调谐器一样，不同的探测器（底行）拾取不同的重力波频率。频率取决于创建纹波（源，顶行）的原因。与二元超卡片黑洞的波浪与超新星相比振荡，这会产生高频波。 Pulsar时序探测器最适合在峰之间通过多年的波浪;基于地面的干涉仪通过波振荡每秒数百次击中时振作起来。资源：美国宇航局

创建可检测到的浮动需要灾难性的事件。碰撞黑洞，合并中子恒星甚至是大爆炸（SN：2/21/15，p。 13）应该在宇宙中回声的空间中发出涟漪。如果有一种方法来感知这些时空膨胀，天文学家可以调查围绕宇宙鞭打的实体，否则否则。

在Louisiana和华盛顿州的激光干涉仪重力波天文台或利诺，双胞胎，双床设施中搜索此类信号。如果地球上的波浪清洗，悬挂在垂直的4公里长管的末端的镜子对之间的精确距离将随着镜子之间的空间膨胀和收缩而振荡。这些管内的Ricochet可以感测距离的变化远远小于质子宽度的千分之一。

当星星碰撞时

作为两个中子恒星朝向彼此螺旋，如在该图示中，它们仅在两种合并之前仅在第二次的最终分数期间辐射重力波。

美国宇航局戈达德太空飞行中心
天文学家已经间接地检测了引力波。1974年，约瑟夫泰勒（SN：7/11/15，p。 4）和罗素·赫斯特，然后在马萨诸塞大学大学发现了第一个二元脉冲，一个迅速旋转的中子星绕着伴侣。在接下来的几年里，脉冲柱以每年3.5米的速度朝向其看不3.5米的搭档 - 如果二重奏辐射重力波，则通过一般相对性预测的轨道紧固。发现Netted Taylor和Hulse 1993年的诺贝尔物理学奖。
来自Hulse-Taylor二进制的涟漪太微妙地被直接看到。但随着两颗星依偎，波浪将变得更加强大。在星星碰撞前的最后毫秒中，Spacetime将大声响起以便解释来听到。然而，碰撞不会发生在另外3亿年内。
“我们不想等待那大，”格拉斯哥大学的天体物理学家马丁亨德里说，在苏格兰。“我们的银行业是我们银河系中有许多这样的系统，这就是我们等待侦查的。”
Ligo在2010年包装的第一个八岁搜索没有任何东西。9月，利戈开始了另一个狩猎难以捉摸的采石场。第二次尝试被称为先进的利普，使用更好的乐器，使命科学家有信心他们将在未来几年内看到一些东西。
波捕手
研究人员希望使用干涉仪通过碰撞黑洞和中子恒星来检测引力波。在重新组合之前，激光撞击镜子向下镜子下垂直管道，在那里通过光敏检测器测量。通过引力波将改变管的长度，这将使重新组合的光变化的亮度变化，因为组合梁中的光波将彼此干扰。
利奥
“真正的天体物理学就在之后开始，”亨德里说。一旦研究人员掌握了一些检测，那么Ligo和其他类似设施就会成为另一个天文工具，而是一个对重力变化而不是光的变化。与望远镜不同，这通常只看一次一个地方，引力波探测器可以听到整个天空。
宇宙元组织
利戈应该能够在大约600万光年内螺旋地螺旋地剥去一个相对高频的任何中子恒星或黑洞。超大分料黑洞之间的碰撞（在线SN：8/31/15）可以从远处听到的声音，但它们发出长期，起伏的波浪，Ligo是聋的。要感测这些巨大的波浪 - 在轻微的岁月中测量峰值到峰值距离 - 研究人员正在转向pulsars。
比赛朝着脉冲开始，当你跑得更快地进入连续脉冲时，无线电突发的节奏将似乎拿起。拉开脉冲条，节拍似乎很慢。在空间海洋上的地球鲍勃，它远离一些脉冲线并向其他脉冲线移动。通过监测来自数十种宇宙元族的脉冲，研究人员会知道当地球何时从超级分类的黑洞碰撞中骑行。
“这就像你通过能够测量船的运动来检测海洋上的波浪，”蒙特利尔麦克奇星大学的天文学家Ryan Lynch说。
地球之间的距离的变化和这些脉冲星中的一个令人惊讶的小：大约一部分略高。这就像试图测量大约100个轻微的一公里的变化。
称为Pulsar时序阵列，北美，欧洲和澳大利亚的三个项目正在使用一些最大的无线电望远镜来识别脉冲条并寻找这些波浪。他们可能会接受的第一件事，不是一个事件，而是许多超现代黑洞的背景嗡嗡声碰撞围绕宇宙。只有最接近的最大和最大的将超越噪音。
碰撞黑洞
该仿真显示了引力波动如何从两个黑洞碰撞。黄线是黑洞周围强引力相互作用的区域。涟漪的红色薄片是引力波，天文学家希望用脉冲星定时观察来检测。波浪从地球距离各种脉冲线的距离。它就像通过测量船（地球）的运动来检测海洋上的波浪。
NASA / c。亨泽
亨德里说，Ligo还是脉冲星定时阵列没有检测到任何东西，这不一定意味着一般相对论有问题。它可能只是意味着关于这些碰撞的假设是不正确的（在线SN：9/24/15).这是一些研究人员正试图说服欧洲空间机构推出2028年称为ELISA（用于进化激光干涉仪空间天线）的基于空间的LIGO版本的基于空间的LIGO版本。在空间的静止，远离摇摇欲坠的地面，Elisa应该听到Ligo不能：从各种紧密耦合二元恒星的嗡嗡声，乱扔银河系。
“我们将看到数百或数千人，他们几乎可以保证，”佛罗里达大学的物理学家Guido Muelle说，戈里达州盖恩斯维尔大学的物理学家说。
这些已经很好地研究的依偎明星将测试ELISA的能力和预测从一般相对性。 ELISA还将在其他星系中倾听二元超卡片黑洞，是天文学家很少知道的人口。对于ELISA，天空是完全的限制。
“亨德里说，Elisa应该基本上看到[黑洞]出来，”亨德里说。轨道的守望机将在可见宇宙的边缘感到清楚的碰撞，回到黎明的时间。“最终会有一个没有更多的黑洞，因为他们还没有时间形成，”亨德里说。他补充说，从早期宇宙中加上一股二元超卡片黑洞的人口普查，可能会帮助研究人员了解这些黑暗二人组在十亿左右的塑造星系中的塑造星系。
在任何人知道宇宙正在扩展之前，一般相对论在现场出现了，天文学家不能确定天空中的那些模糊斑点的时间实际上是其他星系。现在，天文学家准备好在一些关于宇宙的基本真理上开始戳戳，从形成第一颗星和星系到使宇宙蜱的内容。出版后一百年，爱因斯坦的理论准备剥离宇宙窗帘更远。
本文出现在2015年10月17日，科学新闻与标题，“放大宇宙：使用一般相对性看深入空间。“