張齊元+韓森

摘要： 引力波也叫引力輻射，是愛因斯坦廣義相對論中的一項(xiàng)重要預(yù)言，是基礎(chǔ)物理和天文學(xué)中一個重要的內(nèi)容。人類為探索引力波付出了幾十年的努力，從早期的棒狀探測器到后來的激光干涉引力波探測器，各國學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和科學(xué)家們不斷采用最先進(jìn)的技術(shù)尋找引力波源，探測器的探測范圍和靈敏度也不斷提高。在探測引力波的過程中，形成了一門引力波天文學(xué)的新興學(xué)科，使人們逐漸了解宇宙的奧秘，尋找宇宙中天體的運(yùn)行規(guī)律，而引力波也成為了當(dāng)今科學(xué)界學(xué)術(shù)重點(diǎn)和熱門課題。

關(guān)鍵詞： 引力波； 廣義相對論； 引力波天文學(xué)

中圖分類號： P 1-093文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2014.05.018

引言

愛因斯坦于1916年提出了廣義相對論，這是繼牛頓的萬有引力學(xué)說之后物理學(xué)上最偉大的成就之一。愛因斯坦和其他物理學(xué)家根據(jù)廣義相對論先后提出了4個預(yù)言，即光線在引力場中的偏折，光譜線在引力場中的紅移，引力波存在和黑洞存在[1]。前兩個預(yù)言很快就被證實(shí)，廣義相對論經(jīng)受住了很多實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，其中比較著名的是水星近日點(diǎn)，太陽引起的星光偏折，引力紅移。而作為廣義相對論中最重要預(yù)言的引力波，由于其十分微弱，所以很難被探測到，一直以來都是物理學(xué)和天文學(xué)重點(diǎn)研究的對象。引力波存在的間接證據(jù)是脈沖雙星PSR1913+16[2]，其發(fā)現(xiàn)者普林斯頓大學(xué)物理學(xué)家拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒也于1993年獲得諾貝爾獎。最令人興奮的是，美國科學(xué)家于2014年3月17號宣布首次直接探測到宇宙大爆炸的原始引力波，原始引力波能夠證實(shí)宇宙膨脹論，幫助人們了解宇宙誕生的歷程，是物理學(xué)上的重大突破。但隨后也有相關(guān)的研究小組質(zhì)疑這一成果的正確性，有分析說原始引力波引起的偏振信號僅僅是銀河系中塵埃導(dǎo)致的，因此原始引力波還需要科學(xué)家進(jìn)一步仔細(xì)分析檢驗(yàn)。引力波的探測是當(dāng)前物理學(xué)重要的前沿領(lǐng)域之一，引力波天文學(xué)正是以引力波探測為基礎(chǔ)的新興學(xué)科。由于引力輻射所具有的獨(dú)特的物理特性，使得天文學(xué)家可以更廣泛、更全面地探索宇宙的奧秘。通過引力波的探測可以搜尋未知的天體和物質(zhì)，它能提供電磁輻射等傳統(tǒng)的天文觀測方式所不能夠獲取的信息。這是人類觀測宇宙的一個新窗口，擴(kuò)展了天文學(xué)研究的視野和領(lǐng)域。

1引力波是什么

愛因斯坦認(rèn)為引力是時空曲率所產(chǎn)生的一種現(xiàn)象，質(zhì)量的存在會使周圍的時空產(chǎn)生彎曲，當(dāng)物質(zhì)在時空中運(yùn)動或物質(zhì)體系的質(zhì)量發(fā)生變化時，周圍的時空曲率隨之發(fā)生改變，時空的波動就會像水面的波紋一樣傳播，發(fā)生引力輻射。如同人們所熟悉的電磁波一樣，電荷加速運(yùn)動會產(chǎn)生電磁輻射，同樣質(zhì)量的加速運(yùn)動產(chǎn)生引力輻射，引力波被認(rèn)為與電磁波一樣以光速在時空中傳播。當(dāng)引力波經(jīng)過時，周圍的時空被扭曲，物體之間的距離會有節(jié)奏地波動，頻率與引力波相同。理論上任何大小的質(zhì)量改變或運(yùn)動都會引起引力輻射，不過它的能量非常微弱，引力比電磁力幾乎要小39個數(shù)量級，所以現(xiàn)階段不可能在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生可以檢測到的引力波，最好的辦法是觀測宇宙中大質(zhì)量、高速運(yùn)動的天體的活動。1974年赫斯和泰勒發(fā)現(xiàn)了脈沖雙星PSR1913+16，他們根據(jù)脈沖雙星軌道周期的微小變化，正是由于引力波的輻射使雙星逐漸靠近，公轉(zhuǎn)周期減短，很好地符合了愛因斯坦的預(yù)言。這是人類首次間接證明了引力波的存在。

2引力波波源

引力波的探測是物理學(xué)和天文學(xué)一個重要的課題，宇宙中主要存在的引力波的波源主要有以下幾種。

（1）密近雙星的旋繞與結(jié)合

雙致密天體互繞結(jié)合是首選的引力波源，這種雙星系統(tǒng)可以是中子星與中子星、黑洞與黑洞或者兩種的組合等。雙星以較高的頻率繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，在這一過程中不斷向外輻射高頻引力波，由于能量的損失，它們之間的距離逐漸減小，旋轉(zhuǎn)周期變短，最后雙星結(jié)合一體。

（2）超新星爆發(fā)以及中子星、黑洞的形成

恒星坍縮引起的超新星爆發(fā)，超新星質(zhì)量大且致密，在坍縮過程中，如果星體的內(nèi)核非對稱，那么將會輻射出引力波，坍縮結(jié)束后，超新星形成中子星或黑洞[3]。超大質(zhì)量黑洞在不斷吞噬周圍天體時同樣會連續(xù)地產(chǎn)生引力波，通過探測這些引力波，可以了解超新星爆發(fā)和黑洞形成的機(jī)制，以及超大質(zhì)量黑洞的運(yùn)行規(guī)律。

（3）微波背景輻射

宇宙早期爆炸留下了引力波痕跡。目前普遍認(rèn)為宇宙形成于一次大爆炸，在極短的時間內(nèi)，發(fā)生了劇烈的變化，引發(fā)強(qiáng)大的引力波，在漫長的進(jìn)化過程中，原始的引力波依然廣泛分布于宇宙中，美國科學(xué)家正是使用射電望遠(yuǎn)鏡，尋找到了隱藏在宇宙背景中的引力波，為宇宙的形成及進(jìn)化過程找到了強(qiáng)有力的證據(jù)[4 -6]。

3引力波探測

在浩瀚無垠的宇宙中存在大量的引力波源，包括孤立的引力波源以及背景的殘余引力波。孤立的引力波源包括中子星、黑洞等，背景的殘余引力波主要是由宇宙早期的大爆炸形成，它們的物理運(yùn)動機(jī)制不同，所產(chǎn)生的引力波周期、振幅、波形也不同。國際上根據(jù)引力波的測量方式，將引力波的頻段分為：高頻波段、低頻波段、甚低頻波段和極低頻波段4個頻段。探測引力波的方法主要有共振棒和激光干涉，激光干涉又分為空間和地面兩種，用于測量不同頻率的引力波。

20世紀(jì)60年代，美國馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家約瑟夫·韋伯首次采用鋁制棒狀探測器，鋁棒探測引力波的原料類似于天線接收電磁波，鋁棒重1.4 t，長2 m，直徑1 m，用細(xì)絲懸掛起來，具有很高的品質(zhì)因子。當(dāng)有引力波通過時，鋁棒與引力波發(fā)生諧振，使鋁棒產(chǎn)生形變，通過固定在鋁棒上的壓電傳感器感知鋁棒的變化。這種方法靈敏度高，但相對于引力波來說還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，輕微的振動都會激發(fā)傳感器，這些``噪聲''極大地影響了引力波的探測。為了排除這些干擾，韋伯使用幾個鋁質(zhì)共振棒，重點(diǎn)觀測這些鋁棒同時出現(xiàn)的信號。1969年韋伯宣布探測到引力波。但經(jīng)過其他學(xué)者的論證，所謂的引力波可能是其他噪聲。其后，世界上其他國家通過引入超低溫技術(shù)，減少噪聲，搭建了精度更高的棒狀探測器，都未能得到與韋伯同樣的結(jié)果。雖然實(shí)驗(yàn)沒有成功，但其測量引力波的原理被廣泛認(rèn)可。

1970年，韋伯與加州理工學(xué)院的萊納·魏斯等人意識到激光干涉探測引力波的可能性，激光干涉采用邁克爾遜的干涉形式，引力波會引起兩個臂長的變化，導(dǎo)致干涉條紋的變化，通常不同的引力波引起干涉臂長的變化也不同，因此激光干涉儀是最直接的引力波探測。探測引力波所要求的靈敏度要達(dá)到10-21，而干涉儀的臂長有限，所以在每個干涉臂采用法布里-玻羅干涉腔，增加一塊反射鏡，使激光在干涉臂中反復(fù)循環(huán)，增加激光的光程長度。當(dāng)引力波影響臂長及干涉條紋的變化時，激光在兩干涉臂中穿越的時間差發(fā)生改變，只要探測到這種變化就可以發(fā)現(xiàn)引力波。

20世紀(jì)70年代，由于當(dāng)時的技術(shù)所限，無法完成激光干涉探測引力波這樣浩大的工程，最初各國只是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立了臂長幾米至幾十米的原型機(jī)。20世紀(jì)90年代，相關(guān)的技術(shù)條件成熟，麻省理工學(xué)院與加州理工學(xué)院在美國國家自然資金資助下，開始建造激光干涉引力波天文臺LIGO（laser interferometer gravitational-wave observatory）。資金投入3.65億美元，于1999年11月分別在路易斯安那的利文斯頓和華盛頓州的漢福德建造了兩臺，其中利文斯頓天文臺（LLO）臂長4 km，漢福德天文臺（LHO）臂長2 km。兩臺引力波探測器彼此相距3 000 km，當(dāng)它們同時檢測到的信號才有可能是引力波。2005年，為進(jìn)一步提高引力波探測器的靈敏度，激光干涉引力波天文臺進(jìn)行升級改造，激光功率提升至180 W，其探測范圍擴(kuò)大1 000倍，靈敏度提高一個數(shù)量級，稱為先進(jìn)激光干涉引力波天文臺（Advanced LIGO）。

除美國外，目前還有德國、意大利、日本和印度等幾個國家擁有并計劃建造激光干涉引力波探測器。GEO600是由德國和英國聯(lián)合建造，項(xiàng)目開始于1995年，位于德國漢諾威南部的薩爾斯特附近，GEO600的干涉臂長600 m，有效光學(xué)臂長1 200 m，可以探測的引力波的頻率范圍50 Hz～1.5 kHz。Virgo是意大利和法國合作的引力波探測器，于2005年建成，并在2007年5月首次運(yùn)行。Virgo位于意大利比薩市的郊區(qū)，干涉臂長有3 km，每個干涉臂的有效光程可達(dá)100 km，為了滿足極高的靈敏度要求，意大利和法國的科學(xué)家使用了當(dāng)時很多領(lǐng)域最尖端的技術(shù)，比如超高功率穩(wěn)頻激光器，極高反射率反射鏡等。目前該項(xiàng)目以每年一千萬歐元運(yùn)行。日本在1995年開始建造TAMA300干涉儀，位于日本國家天文臺三鷹校區(qū)，其臂長為300 m。2010年6月，日本又開始研制新一代引力波探測器LCGT（large scale cryogenic gravitational wave telescope），2012年1月，LCGT項(xiàng)目更名為KAGRA，位于日本的神岡。為避免地面的噪聲，計劃建設(shè)位于地下的大型干涉儀，臂長3 km，激光功率150 W預(yù)計2018年開始運(yùn)行，預(yù)期靈敏度是TAMA300的100倍，可以媲美Advanced LIGO。印度在2012年啟動INDIGO項(xiàng)目，計劃建造干涉臂長4 km的引力波探測器，預(yù)期在頻率范圍30～800 Hz內(nèi)的靈敏度為10-23/Hz-1/2。這些引力波探測器全部建成后，可以同時從不同角度對宇宙進(jìn)行觀測，組成引力波探測網(wǎng)絡(luò)，提高搜索到引力波的概率。

由于不能完全消除地面振動的噪聲，即使采用最先進(jìn)的隔震措施，其最低的下限頻率為1 Hz，更低頻率的引力波LIGO等地面引力波干涉儀便無法探測，因此，美國NASA和歐洲ESA計劃聯(lián)合建設(shè)空間激光干涉天線LISA（laser interferometer space antenna）。LISA項(xiàng)目主要探測是低頻引力波，頻率范圍為10-4 Hz～1 Hz[7]，這個頻率范圍內(nèi)可能存在著大量的引力波源。LISA的結(jié)構(gòu)與LIGO類似，計劃在太陽軌道上放置3個宇航器，排成等腰三角形，彼此相距500萬km，在每個三角形的頂點(diǎn)，一對連續(xù)的穩(wěn)定的激光向另外兩端發(fā)射，這樣構(gòu)成3個邁克爾遜干涉儀。其后由于經(jīng)費(fèi)問題，NASA退出LISA，該項(xiàng)目便由ESA獨(dú)立承擔(dān)，更名為eLISA，是LISA的簡化版，項(xiàng)目由原來的3個宇航器精簡為一個主宇航器和兩個副宇航器。主宇航器與副宇航器之間的距離減少為100萬km[8-9]，在保持測量精度與LISA一致的前提下，仍可以探測到有意義的引力波源。eLISA不會取代LIGO等地基引力波探測器，它們探測引力波的頻率不同，擴(kuò)大了人類探索引力波的范圍。

我國目前有多家單位對引力波這一課題進(jìn)行研究，包括國家天文臺、中科院高能物理所等科研院所以及北京師范大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校。北京師范大學(xué)天文系宇宙與引力波中心在宇宙加速膨脹、暗能量等方向取得了一些研究成果。2014年7月，中科院高能所的粒子天體物理中心和加拿大的學(xué)者合作，根據(jù)年初美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)原始引力波的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并發(fā)表文章認(rèn)為，宇宙在大爆炸之前可能不是奇點(diǎn)而是一個壓縮的時空，并在暴漲時期之前發(fā)生了一次反彈，宇宙的模型可能更像一個彈簧。這為宇宙的起源學(xué)說提供了一個新觀點(diǎn)，為人類研究宇宙提供了一種新的可能性。

4探測引力波的意義

引力波的探測是物理學(xué)和天文學(xué)共同的領(lǐng)域，對引力波的探測可以對廣義相對論直接驗(yàn)證，同時也為觀測宇宙提供了一個新的途徑。由于引力波具有電磁輻射所不具備的特性，因此對于傳統(tǒng)的通過電磁輻射觀測宇宙的方式是極其重要的補(bǔ)充[10]。例如在宇宙暴漲的初期，電磁波無法穿越其中，引力波是人們目前了解宇宙誕生并進(jìn)化的最好方式。如果引力波最終被證實(shí)，這將是物理上又一個里程碑式的事件，對基礎(chǔ)物理有著深刻的影響，使人們對時空觀重新認(rèn)識。在天文學(xué)上，天文學(xué)家可以對黑洞、超新星、中子星等天體進(jìn)行更深刻，更廣泛，更全面的分析，確定很多目前運(yùn)行機(jī)制尚不明確的天體模型，是繼傳統(tǒng)的電磁輻射觀測宇宙之外一個新的窗口。

而對引力波探測的激光干涉探測器工程，同樣對世界的科技進(jìn)步有重要意義。為了滿足觀測引力波的極端苛刻條件，需要使用目前最尖端的科技和工程技術(shù)。例如，為使在兩反射鏡之間往返的激光能量損失小，反射鏡必需具有極高的反射率；為減小噪聲的影響，干涉儀必需安置在隔震系統(tǒng)中，儀器運(yùn)行的環(huán)境通常比太空軌道還安靜；為減小物體分子運(yùn)動產(chǎn)生的熱噪聲，采用流體硅替代鋼絲懸掛質(zhì)量塊；為增大儀器靈敏度，采用大功率超穩(wěn)頻激光器等。這些技術(shù)對工程領(lǐng)域和科學(xué)技術(shù)是極大的挑戰(zhàn)，對國家工業(yè)發(fā)展起到促進(jìn)作用。在學(xué)術(shù)上，引力波探測也提供了獲取諾貝爾獎的潛在機(jī)會，可以培養(yǎng)一批優(yōu)秀的學(xué)生和學(xué)者，在這個領(lǐng)域出現(xiàn)高水平的物理學(xué)家、天文學(xué)家和工程技術(shù)專家。

5結(jié)束語

引力波是廣義相對論中的最重要預(yù)言，探測引力波是當(dāng)前物理界和天文界最前沿的領(lǐng)域之一。自20世紀(jì)60年代以來，引力波的探測已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，特別是激光干涉的方法使直接探測的引力波成為可能。隨著LIGO等地基引力波探測器的升級和新一代太空激光干涉引力波探測器項(xiàng)目的實(shí)施，未來的探測器以更高的靈敏度搜尋范圍更廣的引力波源，而這些最先進(jìn)的科學(xué)項(xiàng)目也會推動科技的飛速發(fā)展，同時改變?nèi)藗儗A(chǔ)物理和宇宙的認(rèn)識。

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