什么是引力波？

2016年2月11日LIGO合作组宣布首次直接探测到来自遥远宇宙中的引力波(图1)，一时在网上引起一股“引力波热”。从爱因斯坦的广义相对论预言引力波的存在至今已经有100年了，这一划时代的发现绝对是送给广义相对论最好的生日礼物了。然后，外行看热闹，内行看门道，这个大家口中的“引力波”到底是什么鬼呢？让我们从一个比较简单的图像说起。

图1，两个正在并和的黑洞产生的引力波(版权归LIGO/MIT/Caltech所有)

我们都知道，波(或者波动)是我们生活中一种很常见的现象，如水波、声波、电磁波等。和常见的波现象相比，引力波在广义相对论中是以四维时空结构的扰动向外传播能量的方式存在的。三维的物体对于我们是比较直观的，而四维时空无非就是加上时间箭头，要我们把时间和空间统一起来看 (图2)。

这样，整个宇宙的时空结构就呈现4个维度的“网”(注意：这里只是用二维的“网”去类比时空结构，不能认为时空就是一张二维平面的网。)，平直的时空就像平静的湖面一样非常的安静(图3)。然而，大质量天体之间的并合过程会对周围的时空造成极大的扰动，这种扰动会以波动的形式向外传播能量，较远的平直时空结构也会收到影响而留下时空的“涟漪”(图4)。

这就是广义相对论中所描述的引力波，是不是很酷呀？

图2，时间和空间是密不可分的，有质量的物体会对周围的时空结构造成影响

图3，平直时空就像平静的湖面一样恬静优美，但大质量天体周围的时空是弯曲的

图4，正在靠近并相互绕转的大质量天体会对时空造成较大扰动，会以引力波的形式向外辐射能量

二、天上的引力波源有哪些？

并不是只要有大质量天体就能辐射出引力波，引力波产生的条件是系统具有“四极矩”，与电磁辐射的偶极矩有很大区别(图5)。这样的话，一些极为对称的独立源(如单黑洞、对称的致密星)就不能释放引力波，因为它们的引力场只具有“偶极矩”。

图5，偶极的电磁辐射对比四极的引力辐射(转自《A Review of the Universe》)

现在理论上预言的引力波源有这么一些：

1. 致密双星系统。

旋进(in-spiral)或者正在合并(merger, ring-down)的致密双星系统(黑洞、中子星、白矮星或者夸克星)是非常常见的引力波源，LIGO首次找到的引力波就是这种源产生的。双星系统可以是恒星质量的致密双星(图6)，也可以是星系中心的超大质量双黑洞，振幅和频率的范围跨度很大。

图6，致密双星系统的并合过程(转自LSC - LIGO Scientific Collaboration)

2. 快速旋转的非球对称致密星。

非对称性对应的角动量会随着自转向外进行引力辐射，这种不对称性越显著，引力波的能力就越强。举个例子来说，好比中子星表面长了一座“山”，星体的自转会使这座山逐步变平让自己趋于球对称，这一过程当然会产生引力波(图7)。

图7，非球对称的中子星所产生的引力波(转自LSC - LIGO Scientific Collaboration)

3. 超新星或者伽玛射线暴。

这两种现象都是大质量恒星死亡时极为绚烂的“乐章”，爆发时星体大量物质被抛射出去的不对称性也会导致引力波的释放(图8)，并伴随有可以预期观测到的电磁辐射对应体。

图8，超新星或伽玛暴过程也会产生引力波(版权归NASA所有)

4. 宇宙早期的暴涨(Inflation)留下的原初引力波背景。

宇宙大爆炸理论中描述的早期暴涨过程，时空结构会产生剧烈的突变， 产生的引力波会一直存在于宇宙中，作为背景留在天上各个位置。由于过得自宇宙诞生至今的时间太久远，这种引力波背景的强度也变得非常微弱，频率非常低 。

图9，暴涨过程留下的原初引力波(版权归BICPE2所有)

三、怎样探测引力波？

引力波的“四极辐射”性质使其相比于传统的偶极辐射微弱得多，探测难度的难度可想而知。由于在平直时空中光所走的路径是直线，而在弯曲时空中光所走的路径相对于平直时空是有所不同的，这种极为微小的差异体现在传播路径距离或者信号传播需要的时间上面。因此，引力波探测最基本的原理的就是测量出引力波经过时，光信号(或电磁信号)传播路径上，距离或者时间的微小变化。

目前用于搜寻引力波的探测手段主要有这几种：激光干涉仪(AdvancedLIGO, VIRGO, LISA, eLISA等)，脉冲星测时阵列(Pulsar Timing Array)，宇宙微波背景辐射的B模式偏振等。

1. 激光干涉仪(Laser Interfeometer)

激光干涉的方法源自迈克尔逊干涉仪。迈克尔逊干涉仪的基本原理就是把激光分光，然后让这两束光做相干干涉，得到干涉条纹。这种干涉条纹的位置和间距对激光传播距离非常敏感，如果有引力波经过，这种极为微弱的距离变化可以在多次反射的激光干涉后捕捉出来(图10)。

图10，迈克尔逊干涉仪光路图

地面上的引力波探测器LIGO (LaserInterferometer Gravitational-wave Observatory) (图11)的设计思路是调整臂长为4公里的这个超级迈克尔逊干涉仪的激光传输距离，使被分光的两束反射光和透射光在探测器那里产生相消干涉，也就是在没有引力波经过的时候，探测器是没有干涉条纹的。当引力波经过时，两条长臂的距离一条增大，另一条减小，干涉条纹出现，就达到了探测的目的。

图11，LIGO探测器汉福德站(Hanford)全景图(版权归LIGO所有)

空间的引力波探测器LISA (LaserInterferometer Space Antenna) 是一个等边三角形的激光干涉仪(图12)，臂长500公里，与地球同步绕日公转。这样的设计构造非常优美，如同宇宙的琴弦一样。空间卫星的有点在于可以有效避免地面上的干扰，缺点就是造价昂贵，发射的成本高。因此，一个小LISA(eLISA，臂长100公里)项目暂时取代已经由于经费不足搁置的大LISA项目，正在准备中。没钱造大三角板，我们可以先从小的玩起嘛。

图12，LISA引力波探测卫星的设计图(版权归LISA所有)

2. 脉冲星测时阵列(Pulsar Timing Array)

不一定只能通过测距的办法来捕捉引力波经过时留下的“痕迹”，也可以通过长时间的计时去搜寻引力波引起的时空变化。“绳锯木断，滴水石穿”说的就是这种名为脉冲星测时阵列(PTA)的探测手段。

脉冲星，尤其是毫秒脉冲星(自转周期在毫秒量级)，是一种非常稳定的“钟”，当来自遥远星系的引力波经过地球或者太阳系周围时，这些“钟”传到我们望远镜的脉冲信号会有时间上微小的变化，找出这种与之前计时的模板的微小差异，就可以捕捉到引力波的信息。由于脉冲星到我们大概有上千光年的距离，这种探测手段可以很好的把波长为光年量级的引力波找出来，但这需要人们对很多颗毫秒脉冲星做多年的计时观测，才能达到探测要求。

PTA是一个很容易用围棋去类比的东西， 在这个时空的“棋盘”上，不同方位的脉冲星相当于在不同位置下的“棋”，控制住这块引力波经过的“实地”会帮助我们围住所想要的引力波信息。

图13，脉冲星测时阵(PTA)的设计构想(版权归D.Champion/MPIfR所有)

3. 宇宙微波背景辐射的B模式偏振(CMB B-mode Polarization)

宇宙大爆炸理论要求存在一个名为“暴涨”的时期，非常短暂，但这期间宇宙的尺度发生指数式的增长，这种剧烈的变化会以原初引力波的形式存在于现在的宇宙各处。理论学家经过一系列复杂的计算发现原初引力波会与宇宙微波背景辐射发生作用，在其B模式偏振光中留下“足迹”，测量这种模型的微波背景偏振，就可以间接证明原初引力波的存在(图9)。

主要用的设备当然是射电或远红外的望远镜，如坐落于南极的BICEP1, BICEP2, BICEP3望远镜，还有即将在我国西藏阿里地区开展的Ali CMB项目。BICEP2在2014年初得到的原初引力波结果因为Planck卫星公布银河系尘埃辐射分布，无法排除该区域银河系尘埃对B模式偏振所造成的影响而夭折了。即便如此，新的设备和项目正在酝酿，相信不久之后会有更新的发现。越好的科学需要越沉得住气的耐心，原初引力波正是如此。

四、开启引力波窗口的重要意义？

电磁波是电场和磁场在空间中传播能量的形式，而引力波则是引力场在时空中传播能量的形式。这两者本质上不同，但对于人类认知世界都有极为重要的影响 。

电磁波自英国科学家麦克斯韦1865年提出到1887年第一次被德国物理学家赫兹用实验证实只用了20多年时间，而引力波从提出到首次发现用了将近一个世纪，这种划世纪的等待往往意味着更为重要的科学会应运而生。我们知道直到现在，引力还是很难跟其他三种基本相互作用(强、弱、电磁相互作用)一起用一套统一的理论去描述，而引力波的发现会让这一切充满各种可能性。新现象？还是新物理？都是令人期待的。

如果说电磁波让人类拥有了一双可以欣赏神秘而美丽的宇宙的“千里眼”(图14)，那么引力波则是让人类拥有一对可以倾听波澜壮阔的宇宙的“顺风耳”(图15)。

图14，电磁波谱和不同波段下星系的图像(转自Education and outreach collections from the University of Chicago)

图15，引力波谱上对应的引力波源和探测手段(版权归J.I.Thorpe/NASA所有)

随着LIGO探测器第一例引力波事件(GW150914)的发现(图16)，人类算是刚刚打开引力波天文学这一扇新的科学窗口，未来会有什么新的发现，让我们拭目以待。

图16，人类第一次直接探测到引力波，LIGO的GW150914 (B.P.Abbott et al. 2016)