□ 阿爾伯特?愛(ài)因斯坦研究所、清華大學(xué) 胡一鳴

?

引力波，探測(cè)到了！

□ 阿爾伯特?愛(ài)因斯坦研究所、清華大學(xué) 胡一鳴

北京時(shí)間2015年9月14日17點(diǎn)50分45秒，激光干涉引力波觀測(cè)臺(tái)（LIGO）有史以來(lái)第一次直接探測(cè)到引力波事件：GW150914。該引力波事件發(fā)生于距離地球十幾億光年之外，兩個(gè)分別為36倍和29倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，并合為一個(gè)62倍太陽(yáng)質(zhì)量黑洞。人類對(duì)宇宙的探索，由此進(jìn)入一個(gè)新紀(jì)元。

圖1 兩個(gè)黑洞并正合成一個(gè)的示意圖。圖片來(lái)源：The SXS (Si m ul at i ng eXt rem e Spacet i m es) Proj ect

400多年前，伽利略第一次把望遠(yuǎn)鏡對(duì)向了天空。從此，透過(guò)望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家做出了一個(gè)個(gè)發(fā)現(xiàn)，并不斷地革新著人類對(duì)于宇宙的認(rèn)識(shí)：月球環(huán)形山的發(fā)現(xiàn)說(shuō)明了天體并不完美；木星衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)說(shuō)明了它不可能運(yùn)行在“水晶殼層”上；三角視差的測(cè)定說(shuō)明了宇宙遠(yuǎn)比太陽(yáng)系大；哈勃對(duì) M31中造父變星的觀測(cè)又證明天外有天，銀河系外還有星系……

圖2 不同波段下的銀河系，呈現(xiàn)出完全不同的面貌，也讓天文學(xué)家獲得了截然不同的信息。圖片來(lái)源：ht t p://adc.gsf c.nasa.gov/m w

400年過(guò)去了，天文學(xué)家用的望遠(yuǎn)鏡早已今非昔比，也許讀著這篇文章的你手里頭就有一臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡，性能或許不遜于伽利略當(dāng)年的望遠(yuǎn)鏡。技術(shù)的進(jìn)步惠及一代代天文學(xué)家：哈雷用肉眼觀測(cè)，手繪出觀測(cè)記錄；哈勃時(shí)代，照相術(shù)的發(fā)明讓天文學(xué)家能看見(jiàn)更暗的目標(biāo)；半導(dǎo)體的突飛猛進(jìn)成就了電子相機(jī)，造福了你我，也大大提高了天文學(xué)家的觀測(cè)效率。新的技術(shù)，不光讓天文學(xué)家看得更暗，看得更遠(yuǎn)，也真真實(shí)實(shí)地讓天文學(xué)家“開(kāi)闊了眼界”——肉眼能看到的只有可見(jiàn)光，而同屬于電磁波的γ射線、X射線、紫外光、紅外光、微波和無(wú)線電波對(duì)于肉眼來(lái)說(shuō)是完全透明的。但是，聰明的科學(xué)家們總是可以想出辦法，用儀器把這些電磁波的信息記錄下來(lái)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成肉眼可見(jiàn)的圖片，最終呈現(xiàn)在各位讀者的面前。

這些全新的波段將天文學(xué)家的視線大大延伸。通過(guò)γ射線波段的觀測(cè)，人們發(fā)現(xiàn)了伽馬暴，它在一瞬間的亮度甚至超過(guò)了整個(gè)可觀測(cè)宇宙電磁輻射的總和。黑洞附近的吸積盤中的微粒高速摩擦，以X射線的形式被天文學(xué)家捕捉到。恒星誕生地的星云被塵埃遮擋，卻擋不住紅外望遠(yuǎn)鏡的火眼金睛。射電天文學(xué)更是以類星體、中子星、宇宙微波背景輻射和星際有機(jī)分子四大發(fā)現(xiàn)開(kāi)創(chuàng)了天文學(xué)研究的一干全新領(lǐng)域?？梢哉f(shuō)，每一個(gè)新觀測(cè)窗口的開(kāi)啟，都給人們帶來(lái)了全新的知識(shí)。更為奇特的是，這些突破性的發(fā)現(xiàn)，往往是沒(méi)有預(yù)期的！

引力波，一個(gè)全新的窗口

雖然經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，今天的天文學(xué)研究已經(jīng)和以前大不相同，但是從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，觀測(cè)星空的天文學(xué)家，手里的工具是萬(wàn)變不離其宗的——用越來(lái)越大的口徑接收光子，用越來(lái)越靈敏的探測(cè)器記錄來(lái)自天體的光子。

而去年，在愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論整整一個(gè)世紀(jì)的歷史性時(shí)刻，我們站在了一個(gè)新時(shí)代的起點(diǎn)：通過(guò)位于美國(guó)列文斯頓和漢福德的高新引力波探測(cè)器，人類捕捉到了時(shí)空的漣漪，用一種前所未有的方式看待這個(gè)世界。

回首100年前，那是很少有人能真正理解廣義相對(duì)論的時(shí)代，甚至愛(ài)因斯坦本人在一些問(wèn)題上也犯下不少錯(cuò)誤，最著名的例子就是宇宙學(xué)常數(shù)Λ了。廣義相對(duì)論的自然推論是，宇宙存在一個(gè)奇點(diǎn)，而在經(jīng)歷長(zhǎng)期的演化后，引力又將使宇宙塌縮。對(duì)這一結(jié)論非常不滿的愛(ài)因斯坦在場(chǎng)方程里面引入這一個(gè)常數(shù)項(xiàng)，也就是宇宙學(xué)常數(shù)，這是一個(gè)向外的力，以平衡引力的吸引作用，這樣就可以構(gòu)建一個(gè)不穩(wěn)定平衡的宇宙。然而當(dāng)哈勃用觀測(cè)事實(shí)向世人證明宇宙的確是在膨脹后，愛(ài)因斯坦感慨自己犯下了“一生最大的錯(cuò)誤”。

關(guān)于引力波，愛(ài)因斯坦也曾搖擺不定：方程中的這一項(xiàng)，究竟只是一種數(shù)學(xué)游戲，還是一種物理實(shí)際？因?yàn)橥ㄟ^(guò)坐標(biāo)變換，似乎是可以消除引力波的呀！愛(ài)因斯坦在接下來(lái)的幾年中，幾次修改自己的結(jié)論。廣義相對(duì)論的開(kāi)山鼻祖尚且摸不著頭腦，別的科學(xué)家更是莫衷一是。引力波強(qiáng)度微弱且不論，在它是否存在都有爭(zhēng)議的情況下，任何嚴(yán)肅的探測(cè)引力波的努力都是很難讓人信服的。

這一情況直到1955年費(fèi)曼在一次會(huì)議上提出了著名的“粘珠”思想實(shí)驗(yàn)后，方才塵埃落定。費(fèi)曼的論證是，想象一個(gè)珠子穿在一根柱子上并且可以自由移動(dòng)，垂直于柱子方向如果有引力波經(jīng)過(guò)將會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于柱子中心的引潮力。而珠子在引潮力的作用下會(huì)相對(duì)柱子運(yùn)動(dòng)，如果有摩擦，就會(huì)產(chǎn)熱。有熱量就表示有能量，而這個(gè)能量的來(lái)源又只可能是引力波，所以引力波必然攜帶能量，這也就意味著，引力波不僅僅是好玩的數(shù)學(xué)游戲，更必定有其更深層次的物理對(duì)應(yīng)。

圖3：“粘珠”思想實(shí)驗(yàn)示意圖。圖片來(lái)源：https://w ritescience.files.w ordpress.com/2015/04/st i ckybeads.j pg

第一波探測(cè)浪潮

引力波很弱。

愛(ài)因斯坦也許犯過(guò)不少錯(cuò)誤，不過(guò)這一點(diǎn)他至少?zèng)]錯(cuò)：引力波真的很弱。

和電磁波相比，引力實(shí)在是很弱的力，表征引力強(qiáng)度的引力常數(shù)G比起表征電磁力強(qiáng)度的精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)要小上好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。而且引力波實(shí)在是“懶”得很，很少與物質(zhì)有作用。即使在引力波傳播的路徑上堆積400萬(wàn)億光年的番茄醬，也只能把引力波能量的1%吸收掉。人類現(xiàn)在最靈敏的儀器可以測(cè)量四千米距離上原子核大小十萬(wàn)分之一的位置變化，而這也僅僅能勉強(qiáng)探測(cè)幾億光年以外的兩個(gè)致密天體（如中子星或者黑洞）并合所產(chǎn)生的引力波，但是如果同樣大小的能量是以電磁波形式傳播的話，也仍比滿月更耀眼！

一旦確定了引力波是真實(shí)存在，而非坐標(biāo)變化下的產(chǎn)物，人們對(duì)引力波測(cè)量的熱情就被激發(fā)了起來(lái)。第一次對(duì)引力波信號(hào)探測(cè)的嘗試，就其實(shí)質(zhì)而言和粘珠思想實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有什么差別。以馬里蘭大學(xué)的約瑟夫?韋伯為代表的實(shí)驗(yàn)學(xué)家很快就開(kāi)始動(dòng)手，建造起一個(gè)直徑一米，長(zhǎng)度兩米的鋁制圓柱體。當(dāng)引力波經(jīng)過(guò)圓柱體時(shí)，引力波會(huì)迫使圓柱在不同的方向上不斷地拉伸、壓縮。這會(huì)在圓柱體內(nèi)產(chǎn)生微弱的壓力，而通過(guò)精密的壓電感應(yīng)器，就可以把這個(gè)壓力改變靈敏地測(cè)量出來(lái)。更為巧妙的是，如果引力波的頻率恰好和圓柱體本身的特征頻率相符，會(huì)引起共振，從而可以進(jìn)一步測(cè)量微弱得多的信號(hào)。

1969年，韋伯發(fā)表論文宣稱他探測(cè)到了引力波信號(hào)，稍后，他報(bào)告了更多的探測(cè)結(jié)果。這個(gè)消息立刻引發(fā)了一大票科學(xué)家的熱議，許多人也開(kāi)始搭建起了自己的共振棒探測(cè)器，試圖重復(fù)韋伯的實(shí)驗(yàn)。然而，70年代的大量觀測(cè)顯示，即使比韋伯更精密的儀器，在排除噪音干擾以后，連一個(gè)引力波事件都沒(méi)有探測(cè)到。這表明，韋伯之前的所謂觀測(cè)結(jié)果，很有可能只是來(lái)自地面的噪聲。

雖然韋伯的發(fā)現(xiàn)在隨后引來(lái)了一系列的質(zhì)疑，缺乏實(shí)際的探測(cè)結(jié)果也讓人們無(wú)比沮喪，但對(duì)于引力波的熱情已經(jīng)點(diǎn)燃。從韋伯的教訓(xùn)中，我們也學(xué)到了重要的一課，這就是明白數(shù)據(jù)處理在這個(gè)領(lǐng)域中的重要性。當(dāng)下引力波研究的先驅(qū)者LIGO科學(xué)合作組織中，有近半數(shù)的科學(xué)家和科研投入是和數(shù)據(jù)處理息息相關(guān)的。

激光干涉

韋伯的工作也吸引了不同領(lǐng)域背景的科學(xué)家，關(guān)于引力波探測(cè)，各種有趣的想法也開(kāi)始涌現(xiàn)。在麻省理工學(xué)院開(kāi)設(shè)光學(xué)相關(guān)課程的萊納?魏斯心血來(lái)潮，提出了用激光干涉的方法測(cè)量引力波，并且把這個(gè)問(wèn)題拋給他的學(xué)生，作為課堂作業(yè)。隨后，這一方法被總結(jié)，發(fā)表在了沒(méi)有太多關(guān)注度的內(nèi)部期刊上。言者無(wú)意，聞?wù)哂行模又堇砉さ闹茖W(xué)家基普?索恩（同時(shí)也是《星際穿越》的科學(xué)顧問(wèn)）關(guān)注到了這個(gè)新的方法。一開(kāi)始他的評(píng)價(jià)非常悲觀，在他編寫的教科書(shū)中甚至有一個(gè)題目是讓讀者證明激光測(cè)量是無(wú)法測(cè)量引力波的。

幸運(yùn)的是，不久之后，基普開(kāi)始重新審視這個(gè)問(wèn)題，并且開(kāi)始意識(shí)到這是一個(gè)可行的方法。90年代，由加州理工和麻省理工合作主導(dǎo)的激光干涉引力波觀測(cè)臺(tái)（LIGO）正式開(kāi)工建設(shè)。在升級(jí)了許多新技術(shù)以后，更新的高新激光干涉引力波天文臺(tái)（aLIGO）于去年正式投入運(yùn)行。

多波段引力波

圖4 不同波段下探測(cè)引力波的方法及對(duì)應(yīng)的波源。

受限于地球上的諸多噪聲，LIGO對(duì)于頻率低于10赫茲的引力波愛(ài)莫能助。相應(yīng)的，就有人提出將激光干涉的方法搬到天上去。遠(yuǎn)離了地球，增加了干涉臂的長(zhǎng)度，位于空間的太空激光干涉儀（LISA）的想法應(yīng)運(yùn)而生。然而，命運(yùn)多舛的LISA由于經(jīng)費(fèi)不足，遲遲等不到發(fā)射的來(lái)星系中的雙白矮星臨。空間引力波探測(cè)的想法吸引了不少關(guān)注，其中也有中國(guó)科學(xué)家活躍的身影。由羅俊院士倡議的天琴計(jì)劃就希望發(fā)射三顆地球軌道的衛(wèi)星，在衛(wèi)星與衛(wèi)星之間形成激光干涉，從而測(cè)量引力波信號(hào)。與此同時(shí)，中國(guó)科學(xué)院也成立了胡文瑞院士、吳岳良院士為首席科學(xué)家的空間太極(Taiji)計(jì)劃工作組，同樣計(jì)劃發(fā)展空間引力波探測(cè)項(xiàng)目。

圖5 BI C EP2團(tuán)隊(duì)測(cè)量的微波背景輻射的B模式偏振。圖片來(lái)源： ki pac.st anf ord.edu

除了激光干涉以外，腦洞大開(kāi)的天文學(xué)家們還把目光投向了脈沖星。脈沖星的精確計(jì)時(shí)讓瑞士鐘表相形見(jiàn)絀，當(dāng)引力波穿越地球和脈沖星之間時(shí)，會(huì)影響脈沖信號(hào)的計(jì)時(shí)信號(hào)。通過(guò)測(cè)量多個(gè)脈沖星的計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)，天文學(xué)家可以等效把整個(gè)銀河系當(dāng)成一個(gè)巨大的引力波探測(cè)器，測(cè)量引力波。當(dāng)然，其探測(cè)的信號(hào)頻率就要低得多，它能探測(cè)到的引力波波長(zhǎng)甚至可以達(dá)到光年的尺度。

宇宙暴脹時(shí)期產(chǎn)生的原初引力波，可以通過(guò)研究宇宙微波背景輻射的偏振模式得到。在大爆炸過(guò)后的極短時(shí)間內(nèi)，暴脹將極小尺度內(nèi)的量子真空漲落放大到宇宙學(xué)尺度，并產(chǎn)生引力波輻射。這種極低頻的原初引力波也影響著宇宙極早期的微波背景輻射，通過(guò)識(shí)別引力波特有的偏振模式，微波背景輻射的探測(cè)有望探測(cè)到來(lái)自宇宙創(chuàng)生時(shí)的第一聲啼哭。2013年，一個(gè)名叫 BICEP2的團(tuán)隊(duì)宣稱他們?cè)谀蠘O的微波望遠(yuǎn)鏡揭示了原初引力波的存在證據(jù)?？上У氖?，后續(xù)的研究表明他們的觀測(cè)只是由于星際塵埃引起的噪音。

大犬事件——LIGO很嚴(yán)肅

在科學(xué)探索的道路上，永遠(yuǎn)充滿著荊棘。即使智慧如愛(ài)因斯坦也不免犯錯(cuò)，霍金在科學(xué)上的打賭更幾乎逢賭必輸。在整整一個(gè)世紀(jì)的探索引力波的道路上，科學(xué)家們經(jīng)歷了許多波折，也因此更加謹(jǐn)慎。作為一個(gè)擁有近千名科學(xué)家的大型合作組織，LIGO科學(xué)合作組織對(duì)待自己的數(shù)據(jù)非常謹(jǐn)慎，有些人甚至認(rèn)為太過(guò)謹(jǐn)慎了。由于引力波探測(cè)的獨(dú)特性，一旦LIGO宣布引力波的探測(cè)結(jié)果，將沒(méi)有任何辦法檢驗(yàn)這一論斷，所以LIGO科學(xué)合作組織需要絞盡腦汁，以便將來(lái)一旦發(fā)現(xiàn)引力波信號(hào)時(shí)可以對(duì)信號(hào)的真實(shí)性有足夠的自信。

圖6 LI G O科學(xué)合作組織（LSC）的成員單位一覽

2010年，還沒(méi)有升級(jí)的LIGO進(jìn)行了第六次科學(xué)運(yùn)行，同時(shí)，位于意大利的室女座引力波探測(cè)器（VIRGO）進(jìn)行了第二及第三次科學(xué)運(yùn)行。在LIGO和VIRGO的聯(lián)合觀測(cè)前，事先確定了一個(gè)三個(gè)人組成的秘密小組，他們有可能會(huì)在數(shù)據(jù)中人為地注入信號(hào)，其他成員都無(wú)從知曉這一過(guò)程的具體信息，所以稱之為盲注。2010年9月16日，LIGO和VIRGO同時(shí)探測(cè)到一個(gè)信號(hào)，方向大概來(lái)自大犬座，所以代號(hào)為“大犬事件”。這一令人激動(dòng)的信息立刻讓LIGO科學(xué)合作組織沸騰了。經(jīng)過(guò)大量的研究工作之后，科學(xué)家們準(zhǔn)備好了用以發(fā)表的論文和發(fā)表的新聞稿。然而負(fù)責(zé)盲注的三人小組這時(shí)揭曉謎底：這個(gè)信號(hào)的確是他們放的。

圖7 大犬事件在兩個(gè)探測(cè)器上的數(shù)據(jù)。圖片來(lái)源：l i go.org

應(yīng)該說(shuō)，這個(gè)過(guò)程中消耗了大量科研人員的精力和時(shí)間，也讓所有的成員都空歡喜一場(chǎng)。然而，正是本著嚴(yán)謹(jǐn)小心的態(tài)度，才意味著當(dāng)LIGO向世人宣布探測(cè)結(jié)果的那一天會(huì)自信滿滿，也盡可能避免出現(xiàn)烏龍。

GW150914引力波事件

北京時(shí)間2016年2月11日23:40左右，LIGO負(fù)責(zé)人、加州理工學(xué)院教授大衛(wèi)?賴茨（David Reitze）用激動(dòng)的嗓音宣布,“我們發(fā)現(xiàn)了引力波！我們做到了！”

基于觀測(cè)到的信號(hào)，LIGO的科學(xué)家們估算出這是兩個(gè)并合的黑洞，兩者的質(zhì)量大約分別是太陽(yáng)質(zhì)量的29倍和36倍，并合發(fā)生于13億年前。大約3倍于太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)在少于1秒之內(nèi)被轉(zhuǎn)化成引力波，其功率峰值是整個(gè)可見(jiàn)宇宙總功率的50倍。這一引力波首先到達(dá)位于列文斯頓的探測(cè)器，7毫秒之后到達(dá)位于漢福德的探測(cè)器，這意味著引力波源位于南半球天區(qū)。

圖8 LI G O漢福德(H 1,左)和列文斯頓(L1,右)探測(cè)器所觀測(cè)到的G W 150914引力波事件。該圖展示了在兩個(gè)LIG O探測(cè)器中觀測(cè)到的由該事件產(chǎn)生的引力波“應(yīng)變”如何隨時(shí)間(秒)和頻率(赫茲)變化。兩圖均顯示了G W 150914的頻率在0.2秒內(nèi)從35赫茲迅速增加到150赫茲。G W 150914先到達(dá)L1,隨后到達(dá)H 1,前后相差七毫秒,該時(shí)間差與光或者引力波在兩個(gè)探測(cè)器之間傳播的時(shí)間一致。圖片來(lái)源： LSC/Vi rgo C ol l aborat i on

圖9 G W 150914的觀測(cè)數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的旋進(jìn)(i nspi ral)、并合(m erger)、鈴宕(ringdow n)三個(gè)過(guò)程的示意圖。圖片來(lái)源：LS C/V i rgo C ol l aborat i on

根據(jù)廣義相對(duì)論，一對(duì)黑洞在相互繞轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)通過(guò)引力波輻射而損失能量，逐漸靠近。這一過(guò)程可持續(xù)數(shù)十億年，并在最后幾分鐘里面急劇加速演化。在最后一秒鐘內(nèi)，兩個(gè)黑洞幾乎是以一半光速的超高速度碰撞在一起，并形成了一個(gè)質(zhì)量更大的黑洞。根據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程 E= mc2，這個(gè)過(guò)程中一部分的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了能量，而這些能量在最后時(shí)刻以引力波超強(qiáng)爆發(fā)的形式輻射出去。此次 LIGO觀測(cè)到的引力波信號(hào)就源自于這樣的過(guò)程。

這一次探測(cè)，對(duì)于我來(lái)說(shuō)是在科研起點(diǎn)時(shí)就幸運(yùn)地經(jīng)歷了中頭彩，而對(duì)許多將畢生心血投入到這個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家而言是多年的學(xué)術(shù)夢(mèng)想的實(shí)現(xiàn)。在新聞發(fā)布會(huì)上宣布探測(cè)的那一刻，許多人心潮澎湃，甚至潸然淚下。

我們是否確信GW150914是一個(gè)真實(shí)的天文事件?

一個(gè)字：是。當(dāng)然,這個(gè)問(wèn)題事實(shí)上非常重要，而LIGO科學(xué)合作組織和VIRGO組織的很多努力都是為了回答這個(gè)問(wèn)題。為此進(jìn)行的每一個(gè)獨(dú)立而全面的檢查，都給我們宣布GW150914的發(fā)現(xiàn)增添一分信心。

首先，如前所述，兩個(gè)LIGO探測(cè)器記錄的信號(hào)時(shí)間差與光穿梭于臺(tái)址間的時(shí)間吻合。

其次，由圖8可以看出來(lái)自漢福德與來(lái)自列文斯頓的信號(hào)有著十分相似的模式。由于兩個(gè)干涉儀的朝向近乎一致,這一點(diǎn)恰恰符合預(yù)期。同時(shí)，這個(gè)信號(hào)非常強(qiáng),在噪聲的背景中“鶴立雞群”。我們的分析工作好比要在一個(gè)擁擠的大房間里從嘈雜的背景中辨析出一場(chǎng)對(duì)話一樣，所以理解背景噪聲變得至關(guān)重要。這也意味著我們需要監(jiān)測(cè)臺(tái)址附近海量的環(huán)境信息：地面運(yùn)動(dòng)、溫度變化、電網(wǎng)波動(dòng)等等。與此同時(shí)，許多數(shù)據(jù)通道還實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)著干涉儀的狀態(tài)，比如檢查激光束正確地指向鏡子正中。如果這眾多的監(jiān)測(cè)通道中的任意一個(gè)出現(xiàn)異常，采集到的數(shù)據(jù)就會(huì)被舍棄。然而，在經(jīng)歷了詳盡地研究和檢查后，該事件前后的數(shù)據(jù)都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。

圖10 對(duì)雙星并合信號(hào)的搜索定量地顯示了與噪聲起伏產(chǎn)生的背景相比,G W 150914是多么罕見(jiàn)。這一搜索可以斷定由噪聲偽裝成G W 150914是極端罕見(jiàn)的——少于每?jī)扇f(wàn)年一次——這一數(shù)值等同于高于五倍標(biāo)準(zhǔn)差的探測(cè)顯著性。圖片來(lái)源：LS C/V i rgo C ol l aborat i on

不過(guò)，又或許GW150914只是由于機(jī)緣巧合，湊巧在兩個(gè)臺(tái)址都出現(xiàn)了相似特征的噪聲擾動(dòng)？要排除這種可能，我們需要計(jì)算這種情況到底得有多么湊巧，發(fā)生得越罕見(jiàn)，我們就越相信GW150914是真實(shí)的引力波事件。

圖10為展示了我們對(duì)探測(cè)器數(shù)據(jù)進(jìn)行的這類統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。黑色和紫色的實(shí)線代表了不同的噪音背景：基于稍微不同的假設(shè),兩條線展示了不同信號(hào)強(qiáng)度下模擬成信號(hào)的巧合噪音“事件”預(yù)期發(fā)生的數(shù)目。在這幅圖中，最關(guān)鍵的信息是GW150914距離黑色和紫色曲線非常遠(yuǎn)，這意味著能夠偽裝成信號(hào)的噪聲極其罕見(jiàn)。事實(shí)上,對(duì)于GW150914這樣的事件，我們估計(jì)的誤警率低于每20萬(wàn)年一次!這個(gè)誤警率可以轉(zhuǎn)換成一個(gè)sigma值，或者說(shuō)標(biāo)準(zhǔn)差，用以估計(jì)統(tǒng)計(jì)分析中一個(gè)新發(fā)現(xiàn)的顯著程度。從圖10中可以看出，這一搜索可以在5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以上的顯著水平確認(rèn)GW150914是一個(gè)真實(shí)的信號(hào)。

為了完成這一統(tǒng)計(jì)分析，我們使用該數(shù)據(jù)后一個(gè)月內(nèi)采集到的總時(shí)長(zhǎng)為16天的穩(wěn)定、高質(zhì)量的探測(cè)器數(shù)據(jù)。GW150914的確是兩個(gè)探測(cè)器在這段時(shí)間內(nèi)探測(cè)到的最強(qiáng)的信號(hào)。接下來(lái)我們?nèi)藶榈卦趦蓚€(gè)探測(cè)器數(shù)據(jù)間引入一個(gè)時(shí)間平移，等效于構(gòu)造出一個(gè)時(shí)間上長(zhǎng)很多的數(shù)據(jù)，用以搜尋其中不弱于GW150914的巧合性信號(hào)。我們只采用大于10毫秒（光在兩個(gè)探測(cè)器間傳播所需的時(shí)間）的時(shí)間平移,這樣保證了人造數(shù)據(jù)中不含任何真實(shí)的信號(hào)。如此我們可以放心地使用這些數(shù)據(jù)來(lái)分析噪音的統(tǒng)計(jì)學(xué)波動(dòng)，以便回答“偽造出一個(gè)像GW150914這樣的信號(hào)有多難”的問(wèn)題。我們可以歸納得出一個(gè)“誤警率”，也就是說(shuō)，統(tǒng)計(jì)上，噪音被錯(cuò)誤地歸類為信號(hào)的頻率。

引力波天文學(xué)的明天

當(dāng)我們實(shí)現(xiàn)了引力波探測(cè)后，會(huì)給天文學(xué)帶來(lái)什么呢？

首先，很多未解之謎可以一一解答，比如，伽馬暴的中心引擎究竟是什么？星系的并合是如何導(dǎo)致中心的超大質(zhì)量黑洞的并合的？中子星內(nèi)部極高密度的核子物質(zhì)遵循的物理法則究竟如何？宇宙中的重元素是否由雙中子星并合貢獻(xiàn)？是否存在中等質(zhì)量黑洞？這些現(xiàn)在困擾天文學(xué)家的問(wèn)題，都將在引力波探測(cè)后得到回答。

其次，很多問(wèn)題的解答需要引力波和電磁波的聯(lián)合觀測(cè)，而這又極富挑戰(zhàn)性：引力波的電磁對(duì)應(yīng)體相對(duì)來(lái)說(shuō)很暗，變化速度又很快，而引力波的數(shù)據(jù)處理給出空間定位的能力又十分糟糕。為此，就需要一系列望遠(yuǎn)鏡加入合作，一起搜尋，包括凱克望遠(yuǎn)鏡在內(nèi)的許多望遠(yuǎn)鏡都和LIGO科學(xué)合作組織簽署了君子協(xié)議，LIGO將提供保密的引力波信息，合作的望遠(yuǎn)鏡將進(jìn)行后續(xù)觀測(cè)并反饋給LIGO。值得欣喜的是，我國(guó)新疆天文臺(tái)的南山觀測(cè)站、預(yù)計(jì)不久之后發(fā)射的硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡、中法合作的伽馬衛(wèi)星SVOM及其配套的Mini-GWAC地面望遠(yuǎn)鏡都已經(jīng)簽訂了這個(gè)君子協(xié)議，而正在研究籌劃中的愛(ài)因斯坦探針也對(duì)與LIGO的合作抱有極大的興趣?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，我國(guó)的天文學(xué)家將在未來(lái)的引力波天文學(xué)的研究中起到不容小覷的作用。

然而，也許真正讓我這個(gè)引力波天文學(xué)的研究者夙夜難眠的，恰恰是未知的可能性。正如之前提到的，天文學(xué)上所有新的觀測(cè)途徑的開(kāi)啟都會(huì)帶來(lái)天文學(xué)的蓬勃發(fā)展，隨之帶來(lái)意料之外的驚人發(fā)現(xiàn)，并極大地加深人類對(duì)這個(gè)宇宙的理解和認(rèn)知。引力波天文學(xué)也不應(yīng)該例外。我們站在引力波時(shí)代的黎明，不禁暢想，當(dāng)我們可以持續(xù)不斷發(fā)現(xiàn)引力波事件之后，宇宙又會(huì)帶給我們?cè)鯓拥捏@喜呢？

只有時(shí)間，能告訴我們答案。

后記

2015年9月14日引力波的發(fā)現(xiàn)是科學(xué)史上的里程碑。這一非凡的成就，凝聚了太多物理學(xué)家的心血，也是多少人魂?duì)繅?mèng)縈的所在。我們有幸生在這個(gè)時(shí)代，見(jiàn)證物理學(xué)歷史的重大進(jìn)程。對(duì)于我們這些親身參與其中的科研工作者而言，更是感到無(wú)比榮幸。

在LIGO科學(xué)合作組織中，也活躍著不少中國(guó)人的身影，其中包括大陸地區(qū)LIGO科學(xué)合作組織的唯一成員單位清華大學(xué)，利用GPU加速引力波暴數(shù)據(jù)分析和實(shí)現(xiàn)低延遲實(shí)時(shí)致密雙星并合信號(hào)的搜尋；采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法加強(qiáng)引力波數(shù)據(jù)噪聲的分析；分析引力波事件顯著性的系統(tǒng)誤差等。此外清華大學(xué)還參與構(gòu)建引力波數(shù)據(jù)計(jì)算基礎(chǔ)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)分析軟件工具為L(zhǎng)SC成員廣泛使用。

我們還要特別感謝對(duì)本文有幫助的幾位LSC年輕同行們：羅切斯特理工的張淵皞，西澳大學(xué)的王龑、朱興江和儲(chǔ)琪，墨爾本大學(xué)的孫翎，伯明翰大學(xué)的王夢(mèng)瑤，格蘭薩索研究所的王剛，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦研究所的明鏡等等。

圖11 LIG O的科學(xué)家們?yōu)榱藨c祝發(fā)現(xiàn)引力波這一重大事件，決定動(dòng)手做個(gè)蛋糕吃。圖片來(lái)源：LIG O科學(xué)合作組織

而在雜志另一端的你，也處在一個(gè)幸運(yùn)的時(shí)代，用你的電腦，一樣可以為引力波的搜索做貢獻(xiàn)！引力波的種類有很多，LIGO的科學(xué)目標(biāo)除了探測(cè)來(lái)自致密雙星并合的信號(hào)外，也會(huì)搜索來(lái)自銀河系內(nèi)的中子星的連續(xù)信號(hào)。這個(gè)搜索需要大量計(jì)算資源，哪怕用上LIGO自己的超級(jí)計(jì)算機(jī)也不夠，所以常年征求志愿者貢獻(xiàn)CPU時(shí)間，只需要登錄http://www.einsteinathome.org/，你就可以下載Einstein@Home的程序，用你電腦閑暇時(shí)間的空余CPU，處理來(lái)自LIGO的數(shù)據(jù)，搜索時(shí)空的漣漪！

圖12 Ei nst ei n@H om e網(wǎng)站l ogo

（責(zé)任編輯 馮）