APP 引力波天文學(xué)的誕生標(biāo)志著人類觀測(cè)宇宙的方式發(fā)生了根本性的變化。過去，天文學(xué)家只能依賴可見光、X射線、無線電波等電磁波來觀測(cè)宇宙。比如光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可以捕捉星光，射電望遠(yuǎn)鏡可以捕捉無線電波。但宇宙中有些現(xiàn)象，如黑洞并合、中子星碰撞等，難以通過電磁波觀察到。而引力波的發(fā)現(xiàn)為我們提供了另一種探索宇宙的途徑——通過時(shí)空的波動(dòng)，科學(xué)家們得以“聆聽”宇宙中最劇烈、最神秘的事件。
圖 致密雙星的并合事件,黑洞周圍的彩色輪廓代表數(shù)值模擬的引力波振幅
引力波的概念最早由阿爾伯特·愛因斯坦在1916年根據(jù)他的廣義相對(duì)論提出：時(shí)間的一維性和空間的三維性共同組成“四維時(shí)空”的概念，四維時(shí)空描述著太空中的引力源所產(chǎn)生的引力場(chǎng)，它的結(jié)構(gòu)改變會(huì)帶來時(shí)空曲率的改變，也就是說，引力并不是一種“力”，而是由物質(zhì)引起的時(shí)空彎曲。每當(dāng)有大質(zhì)量天體存在，它們會(huì)讓周圍的時(shí)空發(fā)生彎曲，而物體沿著彎曲的時(shí)空軌跡運(yùn)動(dòng)，這就是我們所感知到的“引力”。
雖然愛因斯坦早在1916年就預(yù)言了引力波的存在，但直到近一個(gè)世紀(jì)后，科學(xué)家們才終于直接觀測(cè)到它們。位于美國(guó)的LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）于2016年2月11日宣布探測(cè)到了人類歷史上的第一道引力波。這是一個(gè)里程碑式的發(fā)現(xiàn)，直接驗(yàn)證了愛因斯坦的預(yù)言，同時(shí)標(biāo)志著引力波天文學(xué)的誕生。LIGO探測(cè)到的引力波來自兩個(gè)相距13億光年的黑洞并合事件。這兩顆質(zhì)量分別約為29倍和36倍太陽質(zhì)量的黑洞在太空中旋轉(zhuǎn)、加速，最終碰撞并合，形成一個(gè)更大的黑洞。這一極端事件在短短0.2秒內(nèi)釋放出的能量相當(dāng)于三倍太陽質(zhì)量的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了引力波，震動(dòng)了宇宙的時(shí)空，并向外擴(kuò)散。這些引力波經(jīng)過漫長(zhǎng)的旅程，最終被LIGO在地球上捕捉到。引力波的發(fā)現(xiàn)讓我們從“視覺宇宙”轉(zhuǎn)向了“聽覺宇宙”，我們不再局限于光波的觀察，而是開始“聆聽”宇宙的脈動(dòng)。
圖 位于美國(guó)華盛頓州漢福德（左）路易斯安那州利文斯頓（右）的激光干涉引力波天文臺(tái)
愛因斯坦的預(yù)言：引力波的理論基礎(chǔ)
在廣義相對(duì)論的框架下，如果一個(gè)大質(zhì)量天體在加速運(yùn)動(dòng)，比如兩顆黑洞互相繞轉(zhuǎn)并合，或中子星相撞，它們會(huì)攪動(dòng)周圍的時(shí)空。這種攪動(dòng)會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，類似于在水面上拋石子后產(chǎn)生的漣漪，只不過這些波動(dòng)不是在水面上傳播，而是在整個(gè)時(shí)空中傳播。這些時(shí)空波動(dòng)就是引力波，它們以光速在宇宙中傳播，帶走能量和信息。而我們把引力波比喻為宇宙的“聲音”，是因?yàn)樗鼈兣c聲波有某種相似之處。引力波的波形由振幅和頻率描述，就像我們?cè)诳諝庵懈惺艿降穆曇羰怯晌矬w振動(dòng)引發(fā)的聲波傳遞到我們的耳朵一樣，引力波是由天體劇烈活動(dòng)導(dǎo)致的時(shí)空波動(dòng)，并以光速在宇宙中傳播。當(dāng)這些波動(dòng)到達(dá)地球時(shí)，它們會(huì)引起極其微小的時(shí)空扭曲，類似于微弱的振動(dòng)。通過先進(jìn)的探測(cè)儀器，我們能夠捕捉這些時(shí)空的“振動(dòng)”，進(jìn)而“聽到”宇宙深處的事件。
要更好地理解引力波，可以將時(shí)空想象成一張橡膠布。當(dāng)你在布上放置一個(gè)重物時(shí)，布會(huì)發(fā)生彎曲，這就類似于天體引起的時(shí)空彎曲。如果你突然移動(dòng)這個(gè)重物，布面上會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)向外擴(kuò)展，這些波動(dòng)就是引力波。
同樣，宇宙中的大質(zhì)量天體如黑洞、恒星或中子星，在發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)讓周圍的時(shí)空產(chǎn)生漣漪，這些漣漪就是引力波。不同的是引力波并不會(huì)消失，而是會(huì)一直傳播。這就是為什么即便是億萬光年之外發(fā)生的黑洞并合事件，我們也有可能通過捕捉這些引力波信號(hào)來探測(cè)到。
圖 引力波的頻段范圍
引力波的產(chǎn)生與探測(cè)
在發(fā)生劇烈的宇宙活動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生足夠強(qiáng)烈的引力波，例如以下一些主要的引力波來源：
超大質(zhì)量黑洞雙星的并合
當(dāng)兩個(gè)質(zhì)量極其巨大的黑洞相互靠近并繞轉(zhuǎn)時(shí)，最終它們會(huì)合并為一個(gè)更大的黑洞。這個(gè)過程釋放出大量能量，產(chǎn)生的引力波信號(hào)十分強(qiáng)烈。超大質(zhì)量黑洞通常存在于星系的中心，合并時(shí)產(chǎn)生的引力波可以跨越宇宙數(shù)十億光年。通過觀測(cè)這種現(xiàn)象，科學(xué)家們能夠研究黑洞的形成和星系演化的過程。
極端質(zhì)量比黑洞雙星的繞轉(zhuǎn)
這種情況發(fā)生在質(zhì)量差距非常懸殊的兩個(gè)黑洞之間。一個(gè)是超大質(zhì)量黑洞，另一個(gè)則是一個(gè)質(zhì)量相對(duì)較小的黑洞（或中子星）。小黑洞圍繞著大黑洞旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的引力波信號(hào)非常精細(xì)。科學(xué)家通過研究這種系統(tǒng)，可以了解在極端引力環(huán)境下物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及黑洞的性質(zhì)。
銀河系內(nèi)致密雙星的繞轉(zhuǎn)
銀河系內(nèi)部也存在著許多雙星系統(tǒng)，其中一些由極其致密的天體組成，如中子星或白矮星。當(dāng)它們相互繞轉(zhuǎn)時(shí)，雖然釋放的引力波較弱，但這些信號(hào)相對(duì)更加穩(wěn)定并且易于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。這些雙星系統(tǒng)的研究有助于我們了解恒星的演化過程，以及致密天體之間的相互作用。
隨機(jī)引力波背景
這種引力波源不是來自于某一個(gè)具體的天體系統(tǒng)，而是來自宇宙中的“噪聲”。這些引力波可能源于宇宙早期的劇烈事件，比如大爆炸或其他大規(guī)模的宇宙結(jié)構(gòu)演化過程。
盡管引力波攜帶著宇宙中最劇烈事件的信息，但它們到達(dá)地球時(shí)已經(jīng)極其微弱。由于引力波是時(shí)空的微小“漣漪”，當(dāng)它們經(jīng)過地球時(shí)，它們引起的時(shí)空扭曲的幅度比原子核的直徑還要小。而除了信號(hào)本身極其微弱，地球上還存在各種噪聲干擾，如地面震動(dòng)、空氣流動(dòng)，以及人類活動(dòng)等影響。為捕捉如此微弱的信號(hào)，就需要極高精度的設(shè)備。
為了解決探測(cè)難題，科學(xué)家們對(duì)激光干涉儀進(jìn)行了進(jìn)一步開發(fā)。激光干涉儀通過測(cè)量?jī)蓷l相互垂直的激光路徑長(zhǎng)度變化，來捕捉引力波引起的時(shí)空扭曲。，在激光干涉儀中，有兩條相互垂直的臂，每條臂都有一束激光來回反射。當(dāng)引力波經(jīng)過時(shí)，在引力波傳播方向的垂直平面內(nèi)的時(shí)空會(huì)引起伸縮變形，一條臂會(huì)變長(zhǎng)，另一條臂會(huì)變短，產(chǎn)生距離上的極其微小的變化。而在引力波的下一個(gè)半周期，情況正好相反：原來拉長(zhǎng)的臂變短，原來縮短的臂變長(zhǎng)。通過測(cè)量這些微小的臂長(zhǎng)變化，科學(xué)家們可以捕捉到引力波的存在。再進(jìn)一步地分析引力波的“波形”可，則可了解引力波源的質(zhì)量。
圖 引力波對(duì)邁克遜激光干涉儀中檢驗(yàn)質(zhì)量的效應(yīng)
前文介紹的最早宣布探測(cè)到引力波信號(hào)的 LIGO 屬于地面引力波探測(cè)器，而另外一種是空間引力波探測(cè)器。其優(yōu)勢(shì)在于它們被部署在太空中，遠(yuǎn)離地球的各種干擾。在太空環(huán)境中，沒有大氣層的阻擋，也沒有地球震動(dòng)和自轉(zhuǎn)的干擾，因此空間探測(cè)器能夠捕捉到非常微弱、低頻的引力波信號(hào)。而且空間引力波探測(cè)器通常由多個(gè)衛(wèi)星組成編隊(duì)，每顆衛(wèi)星間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地面探測(cè)器的探測(cè)臂長(zhǎng)度，內(nèi)部都有自由漂浮的測(cè)試質(zhì)量，通過超高精度星間激光干涉測(cè)量技術(shù)來精確測(cè)量引力波引發(fā)的微小距離變化。這種超長(zhǎng)的探測(cè)臂能夠使探測(cè)器對(duì)低頻引力波極其敏感。這對(duì)于探測(cè)特定宇宙事件至關(guān)重要，因?yàn)榈皖l引力波通常來自于超大質(zhì)量黑洞合并、軌道周期較長(zhǎng)的雙星系統(tǒng)或大尺度的天體相互作用等，這些事件釋放的引力波頻率低于地面探測(cè)器的敏感范圍。
由中國(guó)科學(xué)院主導(dǎo)太極計(jì)劃便是空間引力波探測(cè)器的重要代表。太極計(jì)劃預(yù)發(fā)射三顆衛(wèi)星，形成300萬公里的等邊三角形編隊(duì)。目前已成功發(fā)射了驗(yàn)證衛(wèi)星Taiji-1，預(yù)計(jì)在2033年發(fā)射完整編隊(duì)以探測(cè)低頻引力波。
另外一項(xiàng)天琴計(jì)劃是由中山大學(xué)發(fā)起，三顆衛(wèi)星將圍繞地球運(yùn)行，形成約10萬公里的編隊(duì)。首顆驗(yàn)證衛(wèi)星TianQin-1已于2019年發(fā)射，目標(biāo)是在2035年實(shí)現(xiàn)完整的引力波探測(cè)系統(tǒng)。
圖 國(guó)內(nèi)外空間引力波編隊(duì)構(gòu)型
除了上述的方案，脈沖星計(jì)時(shí)陣和宇宙微波背景極化觀測(cè)等方法也在不斷發(fā)展。這些技術(shù)將幫助我們探測(cè)從超大質(zhì)量黑洞合并到宇宙早期漲落產(chǎn)生的各種引力波，進(jìn)一步豐富我們對(duì)宇宙演化、大尺度結(jié)構(gòu)形成等深層次問題的理解。
參考論文
[1]郭宗寬,蔡榮根,張?jiān)?引力波探測(cè):引力波天文學(xué)的新時(shí)代[J].科技導(dǎo)報(bào),2016,34(03):30-33.
[2]林志勇.空間引力波探測(cè)自引力仿真技術(shù)研究[D].長(zhǎng)安大學(xué),2023.
作者：蔡文垂 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 研究生
審核：劉茜 北京天文館研究員
