□ 編譯 范錫龍 胡一鳴

引力波：致密星的機密

□ 編譯 范錫龍1,2,★胡一鳴2

我們熟悉的機械波是以物質(zhì)為媒介的，電磁波不以物質(zhì)為媒介，但它本質(zhì)上是物質(zhì)。而引力波呢，它由物質(zhì)產(chǎn)生，但它本身不是物質(zhì)而是時空的波動，傳播也無須物質(zhì)參與。

愛因斯坦說：

按照廣義相對論，有物質(zhì)時空就彎曲，我們可以讓時空變形，就像我們能讓彈簧變形一樣。就像彈簧的變形可以傳播一樣，時空的變形也可以傳播。引力波，就是時空的波動。

其實任何物體的整體加速運動，例如運動員的起跑，或者自身的不規(guī)則變化，例如攤了一個怪模怪樣的荷包蛋，都會產(chǎn)生引力波。但是這些引力波太微弱，我們無法探測到。產(chǎn)生明顯的引力波需要兩個要素，第一是密度要大，第二是運動要快。兩個高密度的天體碰撞、繞轉(zhuǎn)就可以產(chǎn)生能量很高的引力波，比如中子星?？伞皶r空彈簧”太“硬”了，即使這樣大的能量也只能對時空引起很小的擾動，因此即便是探測這些巨大致密天體產(chǎn)生的引力波對當今科技也是一項挑戰(zhàn)。

一百年前，愛因斯坦提出了劃時代的廣義相對論。在此基礎(chǔ)上，引力波的概念自然而然地被引入?？茖W(xué)界對引力波的追蹤也已經(jīng)持續(xù)了半個世紀，目前世界上最精密的引力波探測器是位于美國兩處的激光干涉引力波觀測臺（LIGO），以及位于意大利的室女座天文臺（VIRGO）?？茖W(xué)家們正全力以赴地對其進行升級換代，在未來數(shù)年內(nèi)，這三臺儀器的靈敏度將有望再上一個臺階。與此同時，科學(xué)家也在細心檢閱從2009年7月到2010年10月期間記錄下來的數(shù)據(jù)，由于信號微弱，這項工作極具挑戰(zhàn)性。在所有已知的信號源中，由中子星和黑洞這種致密天體組成的雙星并合迸發(fā)的引力波被寄予厚望。不久前，對這十幾個月的數(shù)據(jù)中這種類型的引力波的搜索剛剛完成。

從上到下的藝術(shù)示意圖，分別展示了兩個致密天體相互繞轉(zhuǎn)，不斷靠近，發(fā)生合并，以及在這個過程中釋放出引力波的過程。

中子星，顧名思義，是由中子所組成的天體，中子與中子牢牢地結(jié)合，導(dǎo)致它異常地緊密。當沉重的恒星將燃料消耗殆盡時，這個年老的恒星再也無力抵抗自己那巨大的引力，從而塌縮成中子星。更重的恒星則塌縮成黑洞，它比中子星更小更密，然而卻更重，甚至連光也無法逃脫它的束縛。黑洞和中子星可能會形成雙星系統(tǒng)，在這樣的系統(tǒng)中，兩個黑洞、兩個中子星或者一個中子星與一個黑洞相隔不遠，對方的引力牢牢鎖定住它們，使得它們圍著對方相互繞轉(zhuǎn)。在這個過程中，這個系統(tǒng)通過釋放引力波而損耗著能量，讓它們在旋轉(zhuǎn)中越來越近，即所謂“旋近”。它們越轉(zhuǎn)越近，也越轉(zhuǎn)越快，引力波強度也越來越大，就這樣一直持續(xù)到并合為止。

大家可以想一想：

速度越快表明動能越大，引力波強度越大代表引力波帶走的能量越多，這些能量是哪里來的呢？

哪怕這樣的系統(tǒng)距離地球數(shù)億光年之遙，引力波探測器也能夠探測到其并合時所釋放出的強大引力波。中子星－中子星和中子星－黑洞雙星系統(tǒng)是首個引力波信號最強有力的候選者。

天文學(xué)家確切知道中子星－中子星系統(tǒng)的存在，在銀河系中，天文學(xué)家用射電望遠鏡已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了中子星雙星。盡管這樣的雙星距它們最終的并合還遙遙無期，它們發(fā)出的引力波也太弱，但天文學(xué)家仍然可以用它們來確定這種雙星系統(tǒng)并合的發(fā)生率。天文觀測顯示，在一個像銀河系這樣的星系中，平均每一萬年才有一對這樣的雙星發(fā)生并合，所以在銀河系這一方小小的天地中，雙星并合并不常見。好消息是宇宙中充滿星系，因此，將激光干涉引力波觀測臺和室女座探測器的靈敏度所能包含的星系數(shù)目和這單個星系發(fā)生率兩相結(jié)合，可以估計出一段時間內(nèi)可以探測到的合并事件數(shù)的概率。如果沒有探測到任何信號，那么就可以給雙星并合率設(shè)定一個獨立于其他天文觀測的上限，借此，天文學(xué)家可以更好地理解宇宙的運行法則；反過來，引力波的直接探測可以讓天文學(xué)家一窺中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時給超強引力場的物理研究提供絕佳的平臺。

在這項搜索前，用激光干涉引力波觀測臺和室女座天文臺之前的數(shù)據(jù)已經(jīng)分別進行過五次和一次對中子星、黑洞雙星系統(tǒng)并合的搜尋。不同于以往，這次試用的數(shù)據(jù)，靈敏度比之前更高，遠在1.3億光年以外的中子星雙星，或者遠在2.9億光年以外的雙黑洞系統(tǒng)都可以被直接探測到。結(jié)合兩者的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個看似來自雙黑洞或中子星-黑洞雙星系統(tǒng)的信號。遺憾的是，事后揭曉，這個所謂的信號是一次“盲測”，也就是秘密加入的假信號。這次盲測檢驗了當真實的信號來臨時，科學(xué)家是否有能力發(fā)現(xiàn)它。這一成功的測試展示了激光干涉引力波觀測臺和室女座天文臺的科學(xué)家已經(jīng)做好了充分準備，萬事俱備，只欠真實的引力波了。

將盲測移除之后，科學(xué)家沒能在數(shù)據(jù)中找到引力波的遺跡。這一“零結(jié)果”可以對致密雙星的并合率設(shè)定更新的上限。這一上限仍然比天文學(xué)家觀測得到的估計值高出10 0倍，所以沒有探測到任何信號依然是符合常理的結(jié)果。這一次搜索使用的是最后一批來自初代探測器的數(shù)據(jù)。高級激光干涉引力波觀測臺探測器將有望在201 5年開始運行，當它達到設(shè)計靈敏度的時候，科學(xué)家可以將搜索空間擴大整整1 000倍。天文觀測預(yù)言屆時探測器每年將能探測到數(shù)十次信號。此次成功檢測出盲測信號揭示著科學(xué)家們已經(jīng)對高級探測器中致密雙星并合的搜索整裝待發(fā)，摩拳擦掌。

超鏈接：引力波探測器

基本原理是通過干涉條紋來測量微小距離。當引力波經(jīng)過干涉儀時,兩臂長會發(fā)生變化,進而干涉條紋會發(fā)生變化。不過，實際上引力波非常弱,對微小距離如此敏感的現(xiàn)代干涉儀來說，直接探測到干涉條紋的變化也是不可能的,我們的觀測效應(yīng)是干涉條紋能量的變化。

現(xiàn)在投入運行和計劃中的大型地面引力波激光干涉儀基本采用兩臂干涉,具體的設(shè)備有:位于美國的激光干涉引力波觀測臺（Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory，LIG O),位于意大利的室女座天文臺（Virgo）,位于德國漢諾威的引力波探測器（GEO600）,位于日本的引力波探測器（TAMA300）和澳大利亞的ACIGA等。

位于美國路易斯安那州列文斯頓的引力波探測器（兩處之一）

想一想答案：

這個過程背后的物理原理和航天器從高處自由掉落過程中速度越來越大、溫度越來越高是一樣的—— 引力勢能提供了能源。物體從高處下落，或者兩個星靠得越來越近的過程就是系統(tǒng)引力勢能減少的過程。這種兩個致密星因為引力波帶走能量而使得兩個星更快靠近的觀測證據(jù)讓赫爾斯（Hulse）和泰勒（Taylor）獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎。

1湖北第二師范學(xué)院2格拉斯哥大學(xué)★Newton fellow

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