□ 編譯 / 謝 懿

借引力波之力探測宇宙

□ 編譯 / 謝 懿

愛因斯坦預(yù)言在時空中會存在引力波，它們可以把天文學(xué)家?guī)胗钪嬷凶顒×冶l(fā)事件、黑洞碰撞乃至宇宙本身大爆炸的中心。

引力會伴隨我們一生。它是維系橋梁和建筑的基礎(chǔ)，后兩者構(gòu)成了我們的城市和運輸系統(tǒng)的要件。如我們所知，它還維持著生命賴以生存的大氣。但自牛頓因（可能是杜撰的）蘋果而獲得靈感之日起，引力的起源至今仍是個謎。

那么，天文學(xué)家是否有可能像在可見光和其他電磁波段進行常規(guī)觀測那樣來觀測引力本身呢？理論告訴我們，引力會在宇宙時空中制造出類似波浪的漣漪。就算是一只麻雀拍打翅膀，也能產(chǎn)生會引起空間和時間微小波動的引力波。不過，科學(xué)家們探測到這些擾動的最佳機會還是在更大得多的尺度上。

如果能直接觀測到引力波，那將打開一扇通往愛因斯坦廣義相對論最強檢驗的大門——兩顆中子星間的碰撞，宇宙深處星系碰撞而引發(fā)的超大質(zhì)量黑洞并合，甚至還有大爆炸的漣漪。引力波的觀測將幫助天文學(xué)家確定中等質(zhì)量黑洞是否真的存在。在更大的尺度上，科學(xué)家還將有可能探測到全新且完全意想不到的引力源——這是開啟一個新的領(lǐng)域時經(jīng)常發(fā)生的事情。

超級計算機模擬出的兩個黑洞并合時周圍的時空。版權(quán)：Henze/NASA。

傳播的輻射

幾千年來，我們對宇宙的認識幾乎都來自電磁輻射所攜帶的信息。電磁波由沿著兩個軸振蕩的電場和磁場組成。幾十年來，地面上的探測器還試圖探測難以捉摸且十分微弱的引力波，它會在三個幾何坐標軸的方向上振動并傳播，從本質(zhì)上講其實就是時空本身的振蕩。引力波是物質(zhì)加速進而擾動時空所產(chǎn)生的。

類似電磁輻射，引力輻射也會像波一樣傳遞能量，它可能的頻率范圍非常巨大。低頻引力波的波長較長，而高頻引力波的則較短。它們的頻率可以從接近0赫茲到約一千億赫茲不等。不同的質(zhì)量源會產(chǎn)生不同頻率的引力波。恒星質(zhì)量的天體，例如，相互繞轉(zhuǎn)的白矮星或中子星，會產(chǎn)生高頻引力波，而質(zhì)量更大的天體，例如，星系中心的超大質(zhì)量黑洞，則會發(fā)出低頻引力波。相比質(zhì)量較小的天體，質(zhì)量較大的天體具有更強的彎曲時空的能力，因而可以產(chǎn)生更強的引力波信號。

最初的線索

早在1916年，愛因斯坦就預(yù)言，物質(zhì)會彎曲空間和時間，而引力輻射也會傳播。但天文學(xué)家們至今仍沒有直接探測到它們，不過倒是測量到了引力輻射的間接作用。

1993年，物理學(xué)家拉塞爾·赫爾斯（Russell Hulse）和約瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）因在1974年發(fā)現(xiàn)了一個獨特的雙星系統(tǒng)而分享了當(dāng)年的諾貝爾獎。他們當(dāng)時在幾個月的時間里觀測了一顆高速自轉(zhuǎn)的中子星——被稱為脈沖星——所發(fā)出的脈沖輻射，發(fā)現(xiàn)這顆被稱為PSR 1913+16的脈沖星正在圍繞另一顆不可見的中子星轉(zhuǎn)動。根據(jù)PSR 1913+16的脈沖信號，赫爾斯和泰勒計算出了這兩個天體的質(zhì)量和軌道。

在發(fā)現(xiàn)了該系統(tǒng)后不久，赫爾斯便離開了天文學(xué)界，但泰勒和他的同事則一直在觀測這顆脈沖星。他們發(fā)現(xiàn)這個系統(tǒng)僅7.75個小時的軌道周期會隨著時間的推移而衰減，它減小的方式與引力輻射效應(yīng)相一致。天文學(xué)家們認為，這個系統(tǒng)的能量以引力波的形式流失了。

今天，在近40年的觀測之后，這兩個天體之間的平均距離已經(jīng)減小了136米。在大約300億年后，這兩顆中子星的軌道會收縮到零導(dǎo)致碰撞。在發(fā)現(xiàn)了PSR 1913+16之后，天文學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了其他類似的脈沖星系統(tǒng)。但它們都不具備這么高的觀測靈敏度。

通過監(jiān)測毫秒脈沖星信號的微小變化，天文學(xué)家可以由此來探測低頻引力波。版權(quán)：David Champion。

關(guān)聯(lián)和統(tǒng)一

雖然已經(jīng)在一些天體系統(tǒng)中間接探測到了引力輻射，但直接觀測到引力波仍是至關(guān)重要的，因為科學(xué)家們想從根本上來了解大自然的規(guī)律，這其中也包括了引力波傳播的方式。最大的一個問題是，為什么引力定律似乎游離在大自然其他日漸統(tǒng)一的規(guī)律之外？

物理學(xué)的基本規(guī)律包含了四種作用力：兩種核力，電磁力以及引力。前三個可以被統(tǒng)一到一個量子框架之下，但引力卻與量子物理學(xué)不相容。我們還不知道其中的緣由。在原子的尺度上，相比于其他作用力，引力相對較弱。但在宇宙的尺度上，引力卻占據(jù)了主導(dǎo)地位。

迄今為止，還沒有主流的科學(xué)理論能成功地統(tǒng)一物理學(xué)中這兩個迥異的側(cè)面。量子物理描述基本粒子。它所預(yù)言的希格斯玻色子已被找到。同樣地，廣義相對論也是正確的，但我們不知道它應(yīng)該是愛因斯坦所提出的版本還是其他許多變體中的一個。

為了更多地了解時空背后的作用機制，科學(xué)家的第一步就是要直接探測到引力波。但科學(xué)家的最終目標是能通過不同的機制使用不同的方式來觀測天空，進而打開一扇通往宇宙的全新窗口。然而，這一切的進展并不如預(yù)期的那么順利。

大自然的精確時鐘

天文學(xué)家們用來探測引力波的一種方法是借助脈沖星，但并不是之前類似PSR 1913+16那樣的脈沖星雙星系統(tǒng)。相反，一些國際科學(xué)家團隊一直在跟蹤毫秒脈沖星。毫秒脈沖星在1秒鐘的時間里能自轉(zhuǎn)數(shù)百周。它們的自轉(zhuǎn)非常穩(wěn)定，因此通過觀測這些精確時鐘的微小變化，天文學(xué)家可以來尋找從它們和地球之間穿過的引力波。

北美納赫茲引力波天文臺（1納赫茲等于十億分之一赫茲）會使用波多黎各的阿雷西博和美國的綠堤望遠鏡來開展這些觀測。該項目與澳大利亞的帕克斯脈沖星計時陣和歐洲脈沖星計時陣一起構(gòu)成了國際脈沖星計時陣網(wǎng)絡(luò)。

毫秒脈沖星的自轉(zhuǎn)有可能是在雙星系統(tǒng)中被加速的。脈沖星的伴星會演化成一顆不斷膨脹的巨星，它的一些物質(zhì)會被這顆脈沖星吸積，進而使之自轉(zhuǎn)加快。不過，要想把自轉(zhuǎn)周期加速到毫秒的水平會需要10億年的時間。

天文學(xué)家會對毫秒脈沖星做長期的監(jiān)測，尋找在數(shù)月或數(shù)年的時間里它們信號的相關(guān)性。地球周圍的時空會因為引力波而在某個方向上發(fā)生了輕微的扭曲。當(dāng)引力波從地球附近穿過時，在天空中靠得較近的兩顆脈沖星所發(fā)出的信號可能會以彼此相關(guān)的方式提前或者推遲抵達我們?？茖W(xué)家正在幾十個納秒（1納秒等于十億分之一秒）的精度上來尋找脈沖星信號中的這些變化，這些變化可能是由眾多超大質(zhì)量黑洞碰撞所發(fā)出的隨機背景引力波所造成的。

僅在過去的十年間，科學(xué)家的嘗試和探測表明，實現(xiàn)探測引力波所需的計時觀測精度——對幾十顆脈沖星達到100納秒或更小——將來似乎是可能的。但眼下還做不到這一點。

北美納赫茲引力波天文臺最有望探測到的引力波可能來自處于并合最終階段的兩個超大質(zhì)量黑洞，此時它們相互繞轉(zhuǎn)的軌道周期僅為1年左右。因巨大的質(zhì)量和加速度，它們會發(fā)出波長極長（頻率極低）的引力波，正好處在北美納赫茲引力波天文臺所敏感的波段上。

這些引力波的頻率為納赫茲，僅為調(diào)幅廣播信號的約千萬億分之一。天文學(xué)家希望能在未來的幾年里探測到它們。此后，下一個目標將是測量不同頻率上的引力波信號強度，以此來更多地了解引力波源。

位于美國華盛頓州的LIGO。版權(quán)：LIGO。

其他現(xiàn)有設(shè)備

造價3.6億美元的激光干涉引力波天文臺（LIGO）是迄今最雄心勃勃的地面引力波直接探測計劃。它花了近5年的時間來搜尋高頻率（10～10,000赫茲）引力波輻射，目前正處于耗資2.05億美元的升級改造中。地面引力波探測器可探測的引力波源包括碰撞中的脈沖星雙星、并合中的恒星質(zhì)量黑洞、Ⅱ型核心坍縮超新星，甚至還有中子星表面的突變。

LIGO在美國華盛頓州放置有一個4千米長和一個2千米長的探測器，在美國路易斯安那州則放置了另外一個4千米長的探測器。每個探測器都有兩條彼此垂直的激光臂組成，形成一個L形。激光會在LIGO長長的真空管中來回穿梭。

這些激光會被精細地調(diào)整，使得它們波谷和波峰能相互抵消，確保沒有光線會照射到LIGO的光子計數(shù)器上。垂直通過這兩條激光臂的引力波會在拉伸其中一條內(nèi)激光的同時壓縮另一條中的激光。這種探測方法的核心是利用激光本身的干涉特性。路經(jīng)的引力波會瞬間使得激光發(fā)生干涉，使得一些光子打到計數(shù)器上。這些光子由此記錄下了引力波。

雖然LIGO于2010年結(jié)束的初次運轉(zhuǎn)并沒有探測到引力波，但它的成功運轉(zhuǎn)為其升級改造奠定了基礎(chǔ)，升級之后其靈敏度預(yù)期會提高1,000倍。在過去的幾年中，LIGO團隊一直在完善反射鏡，提高激光功率，改造懸掛系統(tǒng)，希望在2015年底之前開始試運轉(zhuǎn)。

意大利和德國也擁有地面引力波探測器。意大利的室女座引力波探測器位于比薩附近，配有長3千米的垂直激光干涉臂，于2007年開始收集科學(xué)數(shù)據(jù)。它尚未探測到任何的引力波，但負責(zé)它運轉(zhuǎn)的歐洲引力天文臺正在對其進行升級，預(yù)計會在2015年底前完成。

此外，德國和英國聯(lián)合建造的引力波探測器GEO600位于德國漢諾威附近，臂長600米。它與LIGO進行了多次聯(lián)合科學(xué)運轉(zhuǎn)，已完成了部分升級改造。不過，一些科學(xué)家認為，相比真正的引力波探測器，GEO600的研發(fā)味道更濃一些。

地球的限制

LISA的藝術(shù)概念圖。版權(quán)：ESA/NASA。

這一代的地面探測器雖在逐步提升其所需的引力波探測能力，但來自地球的背景噪音卻是它們與生俱來的缺陷。對于地面上的引力波探測來說，其主要的限制之一便是在低于10赫茲的頻率上你會湮沒在由人、交通工具、地質(zhì)活動甚至風(fēng)所產(chǎn)生的噪音中。

在太空中不會有這么多的噪音，更易于探測低頻引力波，但卻很難把激光的功率做大，而這是在高頻段獲得更高靈敏度所必需的。因此，為了探測高頻引力波，需要一個由新一代的高靈敏度地面引力波干涉儀所構(gòu)成的全球性探測網(wǎng)。這可以讓科學(xué)家們能真正協(xié)調(diào)引力波天文臺和電磁波望遠鏡之間的觀測活動。他們的目標是，通過測定引力波到達不同地面探測器的時間，天文學(xué)家可以更好地確定這些引力波的天體物理起源。

對宇宙中黑洞類型、形成和并合的認識一直是引力波研究的抓手。在這個領(lǐng)域中有很多的猜測，但卻幾乎沒有任何數(shù)據(jù)。

當(dāng)引力波通過LISA或者eLISA時，它會產(chǎn)生2種不同的振蕩模式。在圖中分別用“+”和“×”表示。版權(quán)：ESO。

飛向太空

引力波科學(xué)家們長期以來一直就謀劃著進軍太空。在20世紀90年代初，歐洲空間局（ESA）和美國宇航局（NASA）就聯(lián)合提出了一個空間任務(wù)——空間激光干涉天線（LISA）。自那時起，這個項目已發(fā)生了重大的變化。NASA已宣布退出，ESA則旨在推動計劃于2034年發(fā)射的空間引力波天文臺，期間可能會有NASA的少量參與。該項目的規(guī)模會大幅縮小。雖然演變后的LISA（eLISA）任務(wù)仍是有力的競爭者，但在未來幾年中它并不會正式參與2034年空間任務(wù)的角逐。

eLISA的現(xiàn)有架構(gòu)仍類似于在20世紀90年代所提出的LISA方案。LISA的設(shè)計構(gòu)想包括三個直徑1.8米的圓柱形航天器，在繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道上它們會構(gòu)成一個邊長為500萬千米的等邊三角形。與之不同的是，eLISA將由一個母航天器和兩個子航天器構(gòu)成一個邊長為100萬千米的V字形。雖然這些變化——從本質(zhì)上讓該天文臺的規(guī)模縮減了5倍——意味著該任務(wù)的靈敏度會降低，但它也使得由一個空間機構(gòu)來實施這一計劃變得可能。

eLISA到太陽的距離和地球的相當(dāng)，它會尾隨在地球后面2～5千萬千米處，和地球繞太陽的軌道面呈60°的夾角。 eLISA會使用兩個1瓦的紅外激光器，利用類似LIGO的方式來判斷激光是否干涉，以此來尋找引力輻射。eLISA和原先的LISA任務(wù)都對頻率在0.001～0.1赫茲間的引力波敏感。這些低頻引力波可能起源自我們銀河系中的遠距白矮星雙星系統(tǒng)、其他星系中心超大質(zhì)量黑洞的并合。如果足夠幸運，興許還能看到來自宇宙大爆炸本身的引力波。

無論是LISA還是eLISA，都是通過測量自由飛行的檢驗質(zhì)量間距離的變化來探測引力波的。檢驗質(zhì)量是一個邊長為4厘米的拋光金鉑立方體，被放置在3個航天器中做“無拖曳”軌道飛行?？茖W(xué)家們會測量每個檢驗質(zhì)量的位置。這些立方體要經(jīng)過消磁處理，從而磁場和來自太陽帶電粒子的作用可以被忽略，否則后兩者所產(chǎn)生的效應(yīng)將與引力波的作用極難區(qū)分。基本的想法是讓這些檢驗質(zhì)量的運動僅受到太陽引力的影響。為此，eLISA會使用推進器來對航天器實施軌道微調(diào)，確保檢驗質(zhì)量處于“自由落體”狀態(tài)。

eLISA方案的具體細節(jié)要到2020年才能完善，科學(xué)家們都希望NASA也能加入，以便提升該任務(wù)的探測能力。如果NASA同意參加，那eLISA任務(wù)的概念興許能演變回原來的LISA計劃。

天文學(xué)家預(yù)期，只要觀測幾個月的時間，類似LISA這樣的任務(wù)就會探測到數(shù)千個引力波源。這些引力波源包括致密中子星雙星系統(tǒng)，并合的超大質(zhì)量黑洞以及落向超大質(zhì)量黑洞的恒星質(zhì)量黑洞。

2015年年中，ESA將會發(fā)射LISA探路者任務(wù)。這個航天器將對該任務(wù)所需的最關(guān)鍵技術(shù)進行測試，包括激光干涉儀、自由下落檢驗質(zhì)量、無拖曳控制機制、消磁技術(shù)以及噪音水平等。

去往宇宙的開始

為了直接探測到來自宇宙大爆炸的引力波，天文學(xué)家們不得不放眼未來。作為幾年前其“超越愛因斯坦計劃”的一部分，NASA資助了一項概念研究，來確定怎樣才能破解覆蓋在時間本身開端上的鐵幕，把宇宙學(xué)的回溯時間推到甚至比宇宙微波背景——出現(xiàn)在宇宙大爆炸之后約38萬年——更早的時期。宇宙微波背景輻射彌漫于整個宇宙之中，標志著電子與原子核結(jié)合且光子第一次可以自由穿行的那一刻。

這項概念研究提出了大爆炸觀測者任務(wù)，計劃在21世紀中葉發(fā)射。類似于LISA但更宏大，大爆炸觀測者需要3個航天器星座，而不是僅僅3個航天器。它們都將圍繞太陽公轉(zhuǎn)，但所探測的引力波頻率則在0.1～10赫茲之間，這個頻率范圍介于類似LISA這樣的設(shè)備和地面干涉探測器兩者的頻率之間。

來自宇宙大爆炸的引力波極有可能是隨機的，會跨越巨大的波長范圍，從可觀測宇宙的大小到數(shù)千千米甚至更小。理論上地面引力波探測器，例如升級后的LIGO，也可以探測到它們。

這些引力波能讓天文學(xué)家回望始于大爆炸之后瞬間的超高速膨脹時期——被稱為暴脹。發(fā)生時間甚至更早的事件——宇宙大爆炸本身——也可能會產(chǎn)生引力波。如果科學(xué)家能探測到這些引力波，他們就可以為遠超地球上粒子加速器所能企及的基本相互作用提供線索。

雖然直接觀測到這些原始引力波可能仍需要幾十年甚至更長的時間，但就在2013年初宇宙學(xué)家宣布，在宇宙微波背景中看到了暴脹引力波所留下的印跡。由位于南極的實驗裝置BICEP2所看到的這些螺旋形樣式被認為是極早期時空漣漪的遺跡。

但是，這一發(fā)現(xiàn)——如果被證實——仍是對原初引力波的間接探測?？茖W(xué)家們可以回溯的宇宙時間仍止步于宇宙微波背景。宇宙真正的起點和宇宙微波背景之間依然有相當(dāng)大的空白。對于在這個空白期內(nèi)發(fā)生了什么，我們所知甚少，因此所能獲得的有關(guān)這一時期的任何數(shù)據(jù)都是非常有價值的。

然而，即使探測到了這些古老的引力波，也很難判斷它們到底是由宇宙大爆炸還是由宇宙暴脹所產(chǎn)生的。這些信號自身的特性并不會告訴我們它們起源自何時何地。

不過，即便如此，只要科學(xué)家們能夠真正在天文學(xué)中自如地運用引力波輻射，它就一定會在這個領(lǐng)域中帶來翻天覆地的變化。不受干擾，以光速傳播，在宇宙中亙古穿行，這些特性將使得引力波徹底改變天文學(xué)，揭示出一個我們沒有其他手段所能目睹的新世界。

（責(zé)任編輯 張長喜）