【新科技知识干部读本】引力波探测开启认知宇宙新窗口

2016年2月11日，激光干涉引力波天文台（LIGO）实验组宣布直接观测到由两颗恒星级黑洞在10多亿年前并合后产生的引力波。这一实验结果不仅是对100年前爱因斯坦创立广义相对论所预言的引力波的一次直接验证，为人类进一步探索宇宙的起源、形成和演化提供了一个全新的观测手段，也为深入研究超越爱因斯坦广义相对论的量子引力理论提供了实验基础。

激光干涉引力波天文台（LIGO）（来源：新华社）

天体周围产生时空弯曲（来源：邑石网）

引力波是什么？在爱因斯坦的描述中，有质量的物体会使它周围的时空发生扭曲，物体的质量越大，时空就扭曲得越厉害。如果将时空看成一张大橡胶膜，在上面放一个球，那么球的质量就会把橡胶膜往下压，在旁边再放一个球，就可以看到两个球分别造成的时空弯曲让它们逐渐滚到了一起。太阳和地球的关系也是一样道理，只不过太阳的质量比地球的质量大得多，造成的时空扭曲也更大，所以看上去，地球在绕着太阳旋转—按照广义相对论的思路，引力只是时空扭曲带来的必然现象。

当两个有质量的物体加速“跳起转圈舞”的时候，它们周围原本就已经扭曲的时空会起伏、震颤、波动，时空扰动就产生了。这种扰动以波的形式向外传播，就是引力波。引力波也被很文艺地称为“时空的涟漪”。质量巨大的系统，比如两个黑洞或两颗中子星快速相互绕转，它们产生的涟漪所释放的能量，远超太阳一生释放的能量总和。而这么大的能量，通常会集中在最后一秒爆发—那一刻，整个宇宙中所有其他天体释放功率的总和都比不上它。

引力波以光速传播时空扰动。如果一串引力波迎面通过一个物体，这个物体就会不断发生拉伸和压缩，变形幅度不会很大。即便是致密双星并合时产生的引力波，除非物体就在引力波波源附近，否则引力波只会把它的长度改变一点点—大约是一个氢原子的百亿分之一。

携带着波源信息的引力波可以被用作窥探宇宙深处的工具。如果人类能够截获这些信息，将能够利用全新的手段来研究黑洞、中子星等各种天体，弄清发生在宇宙彼端的故事。由于有几乎不衰减的特性，引力波能帮我们洞悉整个宇宙的源头。引力波的存在一经证实，我们将以前所未有的方式看到塑造宇宙的力量。而一旦寻找到合适的引力波，人们将能够为大爆炸理论和宇宙膨胀理论找到有力的证据。通过探测各个频段的引力波，必将开启引力波天文学和引力波物理以及量子宇宙物理研究的新领域。

引力波的发现过程并不是一帆风顺的。自20世纪60年代起，科学家就开启了探测引力波的征程。首先，美国马里兰大学的物理学家韦伯（Joseph Weber）提出了用一种共振棒探测器进行引力波探测的想法。他在1969年正式宣称探测到了引力波信号，当时引起了学术界的广泛关注，但不久德国马普研究所的实验小组发现他的实验结果是错误的。

与此同时，美国麻省理工学院的物理学家韦斯（Rainer Weiss）开始构想基于迈克尔逊干涉仪原理的激光干涉方法开展引力波探测。到20世纪80年代中期，美国国家科学基金会（NSF）建议由麻省理工学院和加州理工学院联合实施激光干涉引力波探测计划，并提出了一个较完整的实验方案，即建造臂长达4千米的两个激光干涉引力波天文台（LIGO）。90年代初，LIGO正式开始建造，每个探测器由2个互相垂直的干涉臂构成巨大的L形，臂长均为4千米。

LIGO在20世纪末建成，一个探测器位于华盛顿州汉福德市，另一个探测器坐落于路易斯安那州利文斯顿市。尽管当时LIGO已是全世界最大、灵敏度最高的引力波探测天文台，但到2010年，LIGO一直没有探测到可解释为由引力波引起的任何异常。LIGO已达到了预期的探测灵敏度，必须重新改装升级成更先进、更灵敏的引力波探测器（aLIGO）才有希望探测到微弱的引力波。升级了诸多新技术的aLIGO于2015年9月正式投入运行。很幸运，在2015年9月14 日9：51（世界协调时间，北京时间为当天17：51），aLIGO的两个实验装置同时观察到了被命名为GW150914事件的引力波。实验成果《双黑洞并合系统引力波辐射的观测》发表在美国《物理评论快报》上。北京时间2016年2月11日23：40左右，aLIGO负责人加州理工学院教授大卫·瑞兹（David Reitze）宣布人类首次直接探测到了引力波。报道称这次引力波事件是两个质量分别约为29个太阳质量和36个太阳质量的双黑洞并合成质量约为62个太阳质量的黑洞，约3倍太阳质量转化成了引力波能量。双黑洞并合最后时刻所辐射的引力波的峰值强度比整个可观测宇宙的电磁辐射强度高10倍以上。双黑洞并合发生在距离地球大约410兆秒差距（大约13亿光年）的地方，引力波穿过遥远的星系，让人类首次观测到它的频率在0.2秒内从35赫增加到150赫。

LIGO 的技术人员在关闭舱门抽制真空前检查光学部件（来源：新华社）

对引力波谱的研究表明，由恒星级致密天体的剧烈运动所产生的高频引力波（几十至几千赫），可基于地面的激光干涉引力波天文台进行探测。然而，地面的引力波探测实验装置，由于受空间距离的限制和地球重力梯度噪声的影响，无法探测低于10赫的引力波。为避免地面上容易受到干扰和受制于空间距离尺度等因素，多国科学家展开了空间引力波探测的研究计划，探讨采用空间激光干涉法测量中低频（0.01毫赫～10赫）引力波。空间引力波探测器对中低频段较敏感，面对的波源特征所对应的天体质量和尺度远大于地基引力波探测器所对应的天体源，视野也更深广。

宇宙中的引力波来自宇宙天体的质量或能量变化，不同频率的引力波对应于宇宙演化的不同时期和不同的天体物理过程。以目前的探测能力和探测手段，通常把引力波的探测波段分为超低频段、低频段、中低频段、高频段，分别对应于小于亿分之一赫、亿分之一至百万分之一赫、百万分之一至几十赫、几十到几千赫。

我国科研人员在所有频段引力波的探测方面都开展了相关研究工作，并参与到国际合作中。高频段和中低频段引力波主要通过激光干涉分别在地面和空间进行直接探测，而低频段和超低频段引力波主要利用天文学手段进行间接探测。这次发现的引力波就是aLIGO利用地面激光干涉装置观测到恒星级双黑洞并合产生的高频引力波信号，我国清华大学团队参与了aLIGO的相关工作。中低频段的引力波主要利用激光干涉空间天线阵进行探测，欧洲空间局的eLISA项目已进行了20多年的研究，中国科学院除了积极参与eLISA计划的国际合作，也正在自主规划引力波探测空间“太极计划”，该计划将充分利用中国科学院长期聚集的多学科人才优势、长期积累的前瞻性高端技术与大科学装置的综合平台，以及长期倡导的学科交叉和科教融合特色，围绕中低频段引力波开展引力波空间探测研究。低频段引力波主要利用毫秒脉冲星作为校准源通过地面大型射电望远镜高精度时间监视进行探测，中国科学院基于国际上最大口径射电望远镜FAST以及与20多个国家正在合作建设的平方千米阵列望远镜SKA一期，组成引力波探针阵列进行高精度时间监视来探测引力波引起的地球周围的扰动。超低频段的原初引力波主要通过宇宙微波背景辐射（CMB）的B模式偏振信号进行探测，中国科学院基于西藏阿里天文台，利用北半球最佳的地理环境和气象条件以及配套设施等优势，通过中美合作模式，将建设北半球首台CMB原初引力波探测望远镜。

欧洲空间局用于验证太空引力波观测技术的“LISA 探路者”探测器由一枚“织女星”运载火箭从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空（来源：新华社）

展开引力波精确测量将为我国引力波天文学、引力波物理和量子宇宙物理研究提供一个广阔的发展前景，对认识宇宙起源和时空结构具有革命性的意义。通过引力波精确测量可开展对宇宙大尺度结构、星系形成和演化过程的深入研究，更好地发展和建立超越爱因斯坦广义相对论的量子引力理论，揭示引力本质，帮助理解暗物质和暗能量的性质、黑洞的形成和宇宙暴胀的产生。