利用引力波探索宇宙

合并的黑洞、盘旋的白矮星、自旋中子星都能发出引力辐射。天文学家正在对这些神出鬼没的信号展开搜寻。（图片来源：ASTRONOMY: LUANN WILLIAMS BELTER; SCIENTIFIC SIMULATION AT LEFT:C. REISSWIG, L. REZZOLLA(ALBERT EINSTEIN INSTITUTE); SCIENTIFIC VISUALIZATION: M. KOPPITZ(ALBERT EINSTEIN INSTITUTE & ZUSE INSTITUTE BERLIN); SCIENTIFIC SIMULATION AT CENTER: NCSA/AEI POTSDAM/WASH. UNIV. COLLABORATION; VISUALIZATION;: VERNER BENGER (NCSA)/AEI POTSDAM/WASH. UNIV./ZIB VISUALIZATION TEAM）

终我们一生，引力一直与我们形影相伴。正是因为它稳定了建筑和桥梁，我们才有了城市和运输系统。正是因为它紧紧抓住大气层，我们才有了生机勃勃的地球。虽然牛顿被苹果砸中才发现了万有引力，但这个看不见、摸不着的力量源头至今仍像谜一样难解。

如果天文学家能够像观测可见光或其它电磁辐射那样经常观测引力波，他们会有怎样的发现呢？理论认为，引力可以在时空中产生波纹。即使是麻雀扇动翅膀也能产生引力波，进而导致时空出现微小扰动。尽管如此，探测引力波的最好机会还是要到更大尺度上去找。

科学家若能直接探测到引力波，这将为阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论提供最强的检验机会——双星系统中互相绕转中子星的最后阶段、宇宙中期的星系碰撞所导致的超大质量黑洞合并、甚至宇宙大爆炸的涟漪。引力波探测将告诉天文学家中等质量黑洞是否存在。在更大尺度上，科学家还有机会探测到前所未见的新天体——正如经常发生的那样，每当科学家探索一个全新领域，他们都能有所斩获。

在时空中传播的辐射

几千年以来，我们在探测活动中获得的有关宇宙和我们家园的几乎所有知识全部来自电磁辐射。电磁辐射是电场和磁场在时空中沿着彼此垂直的2个轴交替振荡、传播开去的波。最近几十年，地面探测器也在尝试寻找着神出鬼没的引力波的微弱信号。这种波沿着时空中互相垂直的3个轴传播。我们可以把它想象成时空自身的振荡。当物质加速运动时，时空受到扰动，就会产生引力波。

刚好路过：引力波（蓝色实线）可被视为时空的扰动。当它们在时空中传播时，它们会改变自由粒子（绿点）的间距。引力波既可以是加号极化（图上部），也可以是叉号极化（图下部）。（图片来源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）

和电磁辐射一样，引力辐射也是以波动的形式在宽广的频域传递能量。低频引力波的波长较长，相应地，高频引力波波长较短。引力波覆盖的频域极广——从几乎0赫兹至上千亿赫兹。不同质量的天体产生的引力波频率也不相同。恒星质量的天体（例如做轨道运动的白矮星或中子星）产生高频引力波，质量更大的天体（例如星系中心的超大质量黑洞）产生低频引力波。天体质量越大，其产生的引力波信号越强，因为质量越大，天体扭曲时空的作用就越强。

当大质量黑洞合并时，它们产生低频引力波（相应地，波长较长）。科学家用超级计算机对这一事件进行了数值模拟；上图展示的是模拟事件过程的一系列定格照片。（图片来源：NUMERICAL SIMULATION :C. REISSWIG, L. REZZOLLA(MAX PLANCK INSTITUTE FOR GRAVITATIONAL PHYSICS[ALBERT EINSTEIN INSTITUTE]); SCIENTIFIC VISUALIZATION: M. KOPPITZ(MAX PLANCK INSTITUTE FOR GRAVITATIONAL PHYSICS[ALBERT EINSTEIN INSTITUTE] & ZUSE INSTITUTE BERLIN)）

第一个提示

早在1916年，爱因斯坦便预言质量能够弯曲时空，引力波也可以在时空中传播。但时至今日，天文学家也没能直接捕捉到引力波。不过，他们却找到了引力波存在的间接证据。

1974年，物理学家Russell A. Hulse和Joseph H. Taylor Jr发现了一个独特的双星系统。两人因此而分享了1993年的诺贝尔奖。他们花了几个月时间跟踪一个致密恒星残骸（快速自旋中子星或称脉冲星）发出的脉冲信号。他们发现这颗脉冲星（编号PSR 1913+16）与另一颗看不见的中子星一起围绕着空间一点转动。根据脉冲信号，Hulse和Taylor计算了2个天体的质量、旋转轨道和它们的相对运动轨道。

Joseph H. Taylor Jr.（左）和Russell A. Hulse（右）发现了一个双中子星系统，并且发现（由Taylor和同事共同完成）这个系统以引力辐射的形式放出能量。两人因此分享了1993年的诺贝尔物理学奖。（图片来源：AIP EILIO SEGRE VISUAL ARCHIVES, PHYSICS TODAY COLLECTION(TAYLOR); AIP EMILIO SEGRE VISUAL ARCHIVES, W.F.MEGGERS GALLERY OF NOBEL LAUREATES, PHYSICS TODAY COLLECTION(HULSE)）

在发现这个系统后不久，Hulse便不再做天文研究了。但Taylor和其他同事却还继续跟踪观测这颗脉冲星。他们发现它的轨道周期（只有短短的7.75小时）随着时间在衰减，而且其衰减方式在某种程度上与引力波辐射一致。天文学家认为，这颗脉冲星损失的轨道能量正是以引力波的形式传出去的。

Taylor的同事、美国明尼苏达州Northfield市Carleton学院的Joel Weisberg说，现在，经过近40年的观测，他们发现2位系统成员的间距缩短了136米。再过约300亿年，这两颗中子星的轨道将渐渐缩小到一点，届时两颗恒星将会合并。

“在我们发现了这个双星系统后，大家又陆续发现了其它类似的脉冲星系统。”Taylor说。“不过，后来的发现都不及我们的发现所达到的灵敏度。“

连结、统一

尽管科学家已经在好几个系统中间接探测到引力辐射，但获得引力波的直接证据依然至关重要。这是因为“我们需要在基本层面上理解自然规律，包括引力波在时空中的传播方式，”Taylor说。“最重要问题是当自然规律逐步被包括进大统一场理论，为什么引力却依然置身事外。”

“物理学四大基本作用力分别是两种核力、电磁相互作用和引力，”他接着说到。“前三种力都能用大统一场理论解释，唯独引力无法量子化。个中原因我们一无所知。“在原子尺度上，引力比其它作用力都要弱。但在宇宙学尺度上，引力主导着一切。

截至目前，还没有任何主流理论可以成功地把这两个不相容的物理学领域统一起来。

“量子物理学的研究对象是基本粒子，”美国帕萨迪纳市加州理工学院的引力波专家BarryBarish说。“量子理论预言了希格斯玻色子的存在。欧洲核子研究组织前不久刚刚发现了这种粒子。与此类似，我们也知道广义相对论是正确的。但我们不清楚究竟是爱因斯坦最初提出的那个版本是正确的，还是其它版本是正确的。“

为了了解更多引力的秘密，科学家首要做的便是寻找引力波。不过，找寻的最终目的却是透过不同的物理机制、从另一个角度观察宇宙——打开一扇认识宇宙的新窗口。“只不过我们进展得没有预想的那么快。”Barish说。

精准的自然时钟

天文学家寻找的引力波源之一是脉冲星。不过，他们的搜寻方法与Taylor、Weisberg的不同。几个国际合作研究团队追踪观测的是毫秒脉冲星（每秒自转数百次的脉冲星）。当背景引力波路过地球时，会使这些精准的时钟出现微小变化。由于这种天体自转速度稳定，天文学家试图通过寻找这一变化而找到引力波存在的证据。

借助脉冲星的信号：根据引力波理论，黑洞在合并过程中产生的引力波会在时空中传播开去。天文学家正在利用有精准自然时钟之称的毫秒脉冲星搜寻引力波。当引力波从地球和脉冲星之间经过，它会改变脉冲信号的频率。（图片来源：ASTRONOMY:ROEN KELLY）

北美纳赫兹引力波探测（简称NANOGrav）项目的观测设备是波多黎各的阿雷西博射电望远镜（Arecibo）和美国西弗吉尼亚州的绿岸望远镜（Green Bank）。它是一个国际脉冲星计时阵项目的一部分，与澳大利亚帕克斯脉冲星计时阵、欧洲脉冲星计时阵携手进行观测。

置身于双星系统的毫秒脉冲星可能会加快自转。“当伴星演化至向外膨胀的巨星阶段，脉冲星会因为吸收了一部分伴星的物质而越转越快。”NANOGrav团队成员、加拿大温哥华不列颠哥伦比亚大学的天文学家Ingrid Stairs解释说。“不过，自转速度要加速到毫秒量级需要大概10亿年时间。“

“我们长期监测脉冲星的信号，从相隔数月或数年时间的信号中寻找相关性。”Stairs接着说道。“如果引力波从地球附近经过，地球周围的时空会在这个或那个方向上出现一点点扭曲。天空中位置相邻的一对脉冲星，其发出的信号会因为时空扭曲而或早或晚表现出一些相关性。”科学家试图从脉冲星信号中找到几十纳秒量级的微小变化。这些变化可能是众多超大质量黑洞在碰撞过程中发出的、随机分布的背景引力波所造成的。

最近十年，我们才接近引力波探测所需要的计时精度——观测数十个脉冲星信号的100纳秒或更小量级的变化。“但我们仍未达到观测要求。”Stair说。

NANOGrav最有可能探测到的是处于合并最后阶段的超大质量黑洞（它们此时的轨道周期仅为1年）发出的引力波。这些黑洞质量巨大，其加速度也大。它们发出的引力波波长最长（频率最低）。这正是NANOGrav擅长的观测频段。

天文学家期望探测到频率为纳赫兹（10的-9次方）的引力波（比广播电台AM信号的频率低了15个数量级）。“我们希望未来几年能够进行引力波探测，”Stairs说。一旦探测到引力波信号，他们将测量不同频率处的信号强度，进一步了解引力波源的性质。

其它正在进行中的引力波探测项目

耗资3亿6千万美元建造的激光干涉引力波天文台（简称LIGO）是有史以来最雄心勃勃的地面引力波探测项目。该项目由加州理工学院和麻省理工学院合作研发，已经在10-10000赫兹频段花费近5年时间寻找高频引力波。现在，它正在进行设备升级。这次升级将花掉2亿5百万美元。地面探测器可能找到的引力波源包括碰撞中的脉冲双星、合并中的恒星质量黑洞、核坍缩II型超新星、甚至还有中子星的表面转变。

LIGO的观测设备分别放置在两个地方。其一是美国华盛顿州的Hanford。那里建有2台探测器，长度分别为4公里和2公里。另一个是位于美国路易斯安那州的Livingston Parish的一台4公里长的探测器。每台探测器都伸出两个彼此垂直的长臂，形如英文大写字母“L”。激光光束则从长臂内部的真空管中穿过。

为了避免光线进入LIGO的光子计数器，进行干涉的激光光束都经过仔细调整，使其波峰和波谷的位置有所偏差，只能产生暗干涉条纹（相消干涉）。当引力波垂直穿过LIGO长臂，它会拉长一条臂内的激光束，同时缩短另一条臂内的光束。这种探测方法利用了激光光束自身的相消干涉。路过的引力波会暂时使激光发生相长干涉，进而允许一部分光子进入计数器（计数器被放置在悬挂的测试质量块上）。这些光子将被视为探测到引力波的证据。

在运行初期（于2010年结束），LIGO没有发现引力波的踪影。尽管如此，科学家仍然认为LIGO的探测很成功。他们接下去所要做的是升级设备——把探测器的灵敏度提高1000倍。加州理工学院的实验物理学家、LIGO首席科学家Stan Whitcomb告诉我们说，明年晚些时候，LIGO将在低于最高灵敏度的情况下采集数据。在那之前，项目组在过去几年时间里不断地升级镜面、提高激光束能量、改变测试质量块和悬挂装置。

意大利和德国也各有自己的地面引力波探测设备。在意大利城市比萨附近，有一台建造了3公里长垂直臂的激光干涉仪——Virgo。它从2007年开始收集数据。不过，它至今还未探测到任何引力波。现在，负责Virgo运行的欧洲引力波天文台正对探测器进行升级。这次升级预计在2015年年底完成。

与此同时，德国和英国在德国汉诺威市附近建造了一个名为GEO600的引力波干涉仪。这个干涉仪的臂长仅有600米。它曾与LIGO协同进行了多次探测，并已完成了部分升级。然而，在一些科学家眼中，GEO600更像是一个研发项目，无法在引力波探测中占有一席之地。

全球范围的局限

当代地面探测器正处于引力波探测能力的风口浪尖上，天生无法摆脱地球背景噪声的干扰。“受人类活动、交通、地质活动及风向的噪音影响，我们在10赫兹以下几乎什么信号也看不到。这是兴建地面探测器的主要局限之一。”美国华盛顿特区美国大学的Harry Gregory说。他是LIGO项目光学工作组的前任主席。

广袤的太空里没有那么多噪声，因此更容易探测到低频波。不过，探测器要想在高频段保持高灵敏度，需要高能量的激光束。这一要求在太空中比较难达到。所以，为了探测高频引力波，Whitcomb设想在2025年前后，由新一代高灵敏度的地面干涉仪构成一个全球引力波探测网。他说，这个观测网可以帮助科学家协调各个引力波观测站和观测电磁波的望远镜。其目的是整合各路观测，根据引力波到达各观测站的时间，天文学家能进一步确定引力波的物理起源。

“了解宇宙中有多少黑洞、它们如何形成、它们的合并又如何帮助星系成长是引力波研究领域最令人激动的课题，”Whitcomb说。“对于这些问题，我们有诸多猜测，却缺乏这些过程的观测数据。”

2001年，天文学家首次发现两个超大质量黑洞共存于一个星系的中心区域。这个发现为小质量星系合并形成大质量星系——就像上图中的NGC 6240——这一理论提供了更多证据。（图片来源：X-RAY: NASA/CSC/MIT/C. CANIZARES, M. NOWAK; OPTICAL: NASA/STScl）

太空探索

研究引力波的科学家们早就筹划着太空引力波探测了。在上个世纪90年代初，欧洲空间局和美国宇航局提出一个合作探测项目——激光干涉空间天线（简称LISA）。此后，这个项目发生了巨大的变化。如今，美国宇航局已经退出合作，欧洲空间局则继续推进一个2034年太空引力波天文台项目。美国宇航局可能会对后面这个项目略有贡献。原计划的LISA项目不得不缩小规模。虽然缩水后的LISA项目（简称eLISA）依然是一个主要竞争者，不过在未来几年里，其设计理念与2034项目并不会形成正式的竞争。

引力波研究领域的科学家们对2034年满怀期待。这一年，欧洲空间局将发射一个大型天文台到太空中去搜寻时空的扰动。处于领先地位的探测计划是缩水版的LISA项目。上图是LISA探测器的想象图。（图片来源：AEI/MM/EXOZET/NASA/C. HENZE）

德国汉诺威市马克斯·普朗克引力物理研究所所长Karsten Danzmann说，eLISA目前采用的架构与他在上世纪90年代初提出的方案相差不大。LISA的预想架构包括3个1.8米长的圆柱状飞行器。它们绕太阳飞行，并在太空中排布成一个等边三角形（三角形边长为500万公里）。而eLISA则采用“1个母飞行器和2个子飞行器”排成V形的架构（每边长为100万公里）。尽管架构的改变——实际上把天文台的规模缩小了5倍——降低了系统的灵敏度，却节约了研发成本，使空间机构能够独自承担建造费用。

eLISA将与太阳保持1个天文单位的距离，并在距离地球2-5千万公里处尾随地球飞行。其轨道面相对于太阳系盘面呈60度倾角。它的工作模式与LIGO相似，采用2个功率为1瓦特的红外激光束，通过比较两个光束的干涉纹样来搜寻引力波。eLISA和原版LISA在0.001-0.1赫兹频段（对应的波长范围分别为3千亿和30亿公里）最灵敏。波长如此长的引力波可能源自于银河系内的双白矮星系统、其它星系中心超大质量黑洞的碰撞和合并，还可能（如果走运的话）源于宇宙大爆炸。

这两个天文台采用了相同的探测方法。在3个飞船内部的真空环境里，各有一些自由飞行的金-铂立方块。这些合金质量块各边长为4厘米，其表面还经过打磨以减小摩擦阻力。探测器通过测量它们的间距变化来探测引力波。科学家要测量的是这些检验质量块的相对位置。磁场和太阳粒子的轰击会产生干扰信号，而且很难与引力波信号区分开。为此，所有质量块还进行了消磁处理，使其对前两者的干扰无动于衷。Harry说，这里的基本想法是检验质量块在空间中的运动只受引力影响。天文台将使用推进器操控飞船，使其不与“自由漂移”的检验质量块接触。

“到2020年为止，我们必须要完善细节，”Danzmann说。“大家都希望美国宇航局加入进来，这样我们可以进一步提高项目的探测能力，超过欧洲独力建造所能达到的探测能力。”如果美国宇航局同意合作，那么eLISA将恢复成原计划的LISA项目。

天文学家希望类似LISA这样的天文台在其观测的头几个月就能发现数千个引力波源。这些源包括超紧密的双中子星系统、超大质量黑洞合并及旋转落入超大质量黑洞的恒星质量黑洞。

欧洲空间局将在2015年年中把自己研发的LISA探路者送入太空——一个用来测试整个项目关键技术的飞行器。测试对象包括激光干涉、自由漂移的检验质量块、无阻力控制技术、磁学性能和噪声。

明年，测试未来引力波天文台技术的飞行器——LISA探路者将会发射升空。在其核心是一个装着金-铂检测质量块的电极筒（图上部）。在太空失重环境中，这个质量块将在电极筒中自由漂移，只有引力可以影响它的运动。（图片来源：ESA）

回到最初

想要直接探测宇宙大爆炸产生的引力波，天文学家不得不放眼未来。几年前，美国宇航局资助了一个概念研究项目，作为“超越爱因斯坦”项目的一部分，以便了解如何才能掀开遮挡在时间开端——回溯到宇宙微波背景辐射之前（宇宙大爆炸之后大约38万年）——前面的铁幕。这个遍布宇宙的背景辐射记录下电子和原子核合为一体，并且光子开始在时空中自由飞行的时刻。

这项研究详述了一个大爆炸观测者项目。该项目最早可能在本世纪中叶展开。它与LISA类似，但比后者更具野心。它需要3组——而不是3个——飞行器。这些卫星也围绕太阳飞行，只是其工作频段为0.1-10赫兹——介于LISA这样的空间探测项目和地面干涉仪的工作频段之间。

Harry是美国宇航局大爆炸观测者项目概念组成员。他介绍说，大爆炸产生的引力波很可能随机分布在宇宙中，而且覆盖了很宽的波段——长至宇宙可观测部分的大小，短至数千公里甚至更短。从理论上讲，类似升级版LIGO这样的地面引力波探测器能够探测到所有尺度上的引力波。

引力波谱：不同事件产生的引力波频率也不同。上图比较了各个引力波源的引力波频率与目前进行中的和未来的引力波探测项目的工作频段。（图片来源：ASTRONOMY:ROEN KELLY, AFTER C. MOORE, R.COLE, AND C. BERRY(INSTITUTE OF ASTRONOMY, UNIV. OF CAMBRIDGE)）

这种原初引力波可以帮助天文学家看到宇宙的超高速膨胀——暴涨（发生在第10的-36次方秒）。甚至更早的事件——大爆炸本身——也能产生引力波。如果科学家真能探测到这类引力波，它们也许能提供给我们有关极高能粒子相互作用的信息。这样高的能段是地面人造粒子加速器所望尘莫及的。

虽然直接探测原初引力波仍是几十年后的事，但就在数月前，宇宙学家对外宣布说他们在宇宙微波背景辐射中看到了暴涨引力波的印迹。这个被坚守在南极的BICEP2探测器发现的涡漩图样是极早期时空扰动的遗迹。

今年3月，科学家对外宣布说在宇宙微波背景辐射（简称CMB）中发现了“B模”极化信号。宇宙暴涨（发生在宇宙诞生后的极短时间里）产生的原初引力波在CMB中留下了这个涡旋图样。（图片来源：THE BICEP2 COLLABORATION）

尽管如此，这个发现（如果得到确认的话）仍然只是原初引力波存在的间接证据。时至今日，科学家接收到的最早的信号仍然是宇宙微波背景辐射。“宇宙肇始与微波背景辐射之间还存在着相当大的空白，”Harry说。“那段时间发生了什么，我们知之甚少。因此，任何有关那一时期的观测数据都弥足珍贵。”

不过，Taylor认为，即便真的探测到了如此古老的引力波，我们也很难断定它们是否真的是大爆炸或暴涨的产物。“这些信号并没有什么独一无二的、可以以之命名的特征，也不会告诉我们它们来自于哪里，”他接着说。

即使如此，正如Danzmann所指出的，一旦科学家将引力波引入到日常的天文学研究中来，这个新研究对象将使这门学科发生天翻地覆的变化。“引力波在宇宙中传播不息，不受任何干扰，并且与光一般快，它将彻底变革天文学，”他说，“它向我们展示出的是一个依靠别的途径无法看到的世界。”