合并的黑洞、盤旋的白矮星、自旋中子星都能發(fā)出引力輻射。天文學(xué)家正在對(duì)這些神出鬼沒的信號(hào)展開搜尋。（圖片來源：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）
終我們一生，引力一直與我們形影相伴。正是因?yàn)樗€(wěn)定了建筑和橋梁，我們才有了城市和運(yùn)輸系統(tǒng)。正是因?yàn)樗o緊抓住大氣層，我們才有了生機(jī)勃勃的地球。雖然牛頓被蘋果砸中才發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力，但這個(gè)看不見、摸不著的力量源頭至今仍像謎一樣難解。
如果天文學(xué)家能夠像觀測(cè)可見光或其它電磁輻射那樣經(jīng)常觀測(cè)引力波，他們會(huì)有怎樣的發(fā)現(xiàn)呢？理論認(rèn)為，引力可以在時(shí)空中產(chǎn)生波紋。即使是麻雀扇動(dòng)翅膀也能產(chǎn)生引力波，進(jìn)而導(dǎo)致時(shí)空出現(xiàn)微小擾動(dòng)。盡管如此，探測(cè)引力波的最好機(jī)會(huì)還是要到更大尺度上去找。
科學(xué)家若能直接探測(cè)到引力波，這將為阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對(duì)論提供最強(qiáng)的檢驗(yàn)機(jī)會(huì)——雙星系統(tǒng)中互相繞轉(zhuǎn)中子星的最后階段、宇宙中期的星系碰撞所導(dǎo)致的超大質(zhì)量黑洞合并、甚至宇宙大爆炸的漣漪。引力波探測(cè)將告訴天文學(xué)家中等質(zhì)量黑洞是否存在。在更大尺度上，科學(xué)家還有機(jī)會(huì)探測(cè)到前所未見的新天體——正如經(jīng)常發(fā)生的那樣，每當(dāng)科學(xué)家探索一個(gè)全新領(lǐng)域，他們都能有所斬獲。
在時(shí)空中傳播的輻射
幾千年以來，我們?cè)谔綔y(cè)活動(dòng)中獲得的有關(guān)宇宙和我們家園的幾乎所有知識(shí)全部來自電磁輻射。電磁輻射是電場(chǎng)和磁場(chǎng)在時(shí)空中沿著彼此垂直的2個(gè)軸交替振蕩、傳播開去的波。最近幾十年，地面探測(cè)器也在嘗試尋找著神出鬼沒的引力波的微弱信號(hào)。這種波沿著時(shí)空中互相垂直的3個(gè)軸傳播。我們可以把它想象成時(shí)空自身的振蕩。當(dāng)物質(zhì)加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)空受到擾動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生引力波。
剛好路過：引力波（藍(lán)色實(shí)線）可被視為時(shí)空的擾動(dòng)。當(dāng)它們?cè)跁r(shí)空中傳播時(shí)，它們會(huì)改變自由粒子（綠點(diǎn)）的間距。引力波既可以是加號(hào)極化（圖上部），也可以是叉號(hào)極化（圖下部）。（圖片來源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）
和電磁輻射一樣，引力輻射也是以波動(dòng)的形式在寬廣的頻域傳遞能量。低頻引力波的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，相應(yīng)地，高頻引力波波長(zhǎng)較短。引力波覆蓋的頻域極廣——從幾乎0赫茲至上千億赫茲。不同質(zhì)量的天體產(chǎn)生的引力波頻率也不相同。恒星質(zhì)量的天體（例如做軌道運(yùn)動(dòng)的白矮星或中子星）產(chǎn)生高頻引力波，質(zhì)量更大的天體（例如星系中心的超大質(zhì)量黑洞）產(chǎn)生低頻引力波。天體質(zhì)量越大，其產(chǎn)生的引力波信號(hào)越強(qiáng)，因?yàn)橘|(zhì)量越大，天體扭曲時(shí)空的作用就越強(qiáng)。
當(dāng)大質(zhì)量黑洞合并時(shí)，它們產(chǎn)生低頻引力波（相應(yīng)地，波長(zhǎng)較長(zhǎng)）?？茖W(xué)家用超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)這一事件進(jìn)行了數(shù)值模擬；上圖展示的是模擬事件過程的一系列定格照片。（圖片來源：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)）
第一個(gè)提示
早在1916年，愛因斯坦便預(yù)言質(zhì)量能夠彎曲時(shí)空，引力波也可以在時(shí)空中傳播。但時(shí)至今日，天文學(xué)家也沒能直接捕捉到引力波。不過，他們卻找到了引力波存在的間接證據(jù)。
1974年，物理學(xué)家Russell A. Hulse和Joseph H. Taylor Jr發(fā)現(xiàn)了一個(gè)獨(dú)特的雙星系統(tǒng)。兩人因此而分享了1993年的諾貝爾獎(jiǎng)。他們花了幾個(gè)月時(shí)間跟蹤一個(gè)致密恒星殘?。焖僮孕凶有腔蚍Q脈沖星）發(fā)出的脈沖信號(hào)。他們發(fā)現(xiàn)這顆脈沖星（編號(hào)PSR 1913+16）與另一顆看不見的中子星一起圍繞著空間一點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)脈沖信號(hào)，Hulse和Taylor計(jì)算了2個(gè)天體的質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)軌道和它們的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌道。
Joseph H. Taylor Jr.（左）和Russell A. Hulse（右）發(fā)現(xiàn)了一個(gè)雙中子星系統(tǒng)，并且發(fā)現(xiàn)（由Taylor和同事共同完成）這個(gè)系統(tǒng)以引力輻射的形式放出能量。兩人因此分享了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。（圖片來源：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)）
在發(fā)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)后不久，Hulse便不再做天文研究了。但Taylor和其他同事卻還繼續(xù)跟蹤觀測(cè)這顆脈沖星。他們發(fā)現(xiàn)它的軌道周期（只有短短的7.75小時(shí)）隨著時(shí)間在衰減，而且其衰減方式在某種程度上與引力波輻射一致。天文學(xué)家認(rèn)為，這顆脈沖星損失的軌道能量正是以引力波的形式傳出去的。
Taylor的同事、美國(guó)明尼蘇達(dá)州Northfield市Carleton學(xué)院的Joel Weisberg說，現(xiàn)在，經(jīng)過近40年的觀測(cè)，他們發(fā)現(xiàn)2位系統(tǒng)成員的間距縮短了136米。再過約300億年，這兩顆中子星的軌道將漸漸縮小到一點(diǎn)，屆時(shí)兩顆恒星將會(huì)合并。
“在我們發(fā)現(xiàn)了這個(gè)雙星系統(tǒng)后，大家又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了其它類似的脈沖星系統(tǒng)?！盩aylor說?！安贿^，后來的發(fā)現(xiàn)都不及我們的發(fā)現(xiàn)所達(dá)到的靈敏度?！?/p>
連結(jié)、統(tǒng)一
盡管科學(xué)家已經(jīng)在好幾個(gè)系統(tǒng)中間接探測(cè)到引力輻射，但獲得引力波的直接證據(jù)依然至關(guān)重要。這是因?yàn)椤拔覀冃枰诨緦用嫔侠斫庾匀灰?guī)律，包括引力波在時(shí)空中的傳播方式，”Taylor說。“最重要問題是當(dāng)自然規(guī)律逐步被包括進(jìn)大統(tǒng)一場(chǎng)理論，為什么引力卻依然置身事外?！?/p>
“物理學(xué)四大基本作用力分別是兩種核力、電磁相互作用和引力，”他接著說到?！扒叭N力都能用大統(tǒng)一場(chǎng)理論解釋，唯獨(dú)引力無法量子化。個(gè)中原因我們一無所知?！霸谠映叨壬?，引力比其它作用力都要弱。但在宇宙學(xué)尺度上，引力主導(dǎo)著一切。
截至目前，還沒有任何主流理論可以成功地把這兩個(gè)不相容的物理學(xué)領(lǐng)域統(tǒng)一起來。
“量子物理學(xué)的研究對(duì)象是基本粒子，”美國(guó)帕薩迪納市加州理工學(xué)院的引力波專家BarryBarish說。“量子理論預(yù)言了希格斯玻色子的存在。歐洲核子研究組織前不久剛剛發(fā)現(xiàn)了這種粒子。與此類似，我們也知道廣義相對(duì)論是正確的。但我們不清楚究竟是愛因斯坦最初提出的那個(gè)版本是正確的，還是其它版本是正確的?！?/p>
為了了解更多引力的秘密，科學(xué)家首要做的便是尋找引力波。不過，找尋的最終目的卻是透過不同的物理機(jī)制、從另一個(gè)角度觀察宇宙——打開一扇認(rèn)識(shí)宇宙的新窗口?！爸徊贿^我們進(jìn)展得沒有預(yù)想的那么快?！盉arish說。
精準(zhǔn)的自然時(shí)鐘
天文學(xué)家尋找的引力波源之一是脈沖星。不過，他們的搜尋方法與Taylor、Weisberg的不同。幾個(gè)國(guó)際合作研究團(tuán)隊(duì)追蹤觀測(cè)的是毫秒脈沖星（每秒自轉(zhuǎn)數(shù)百次的脈沖星）。當(dāng)背景引力波路過地球時(shí)，會(huì)使這些精準(zhǔn)的時(shí)鐘出現(xiàn)微小變化。由于這種天體自轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定，天文學(xué)家試圖通過尋找這一變化而找到引力波存在的證據(jù)。
借助脈沖星的信號(hào)：根據(jù)引力波理論，黑洞在合并過程中產(chǎn)生的引力波會(huì)在時(shí)空中傳播開去。天文學(xué)家正在利用有精準(zhǔn)自然時(shí)鐘之稱的毫秒脈沖星搜尋引力波。當(dāng)引力波從地球和脈沖星之間經(jīng)過，它會(huì)改變脈沖信號(hào)的頻率。（圖片來源：ASTRONOMY:ROEN KELLY）
北美納赫茲引力波探測(cè)（簡(jiǎn)稱NANOGrav）項(xiàng)目的觀測(cè)設(shè)備是波多黎各的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡（Arecibo）和美國(guó)西弗吉尼亞州的綠岸望遠(yuǎn)鏡（Green Bank）。它是一個(gè)國(guó)際脈沖星計(jì)時(shí)陣項(xiàng)目的一部分，與澳大利亞帕克斯脈沖星計(jì)時(shí)陣、歐洲脈沖星計(jì)時(shí)陣攜手進(jìn)行觀測(cè)。
置身于雙星系統(tǒng)的毫秒脈沖星可能會(huì)加快自轉(zhuǎn)?！爱?dāng)伴星演化至向外膨脹的巨星階段，脈沖星會(huì)因?yàn)槲樟艘徊糠职樾堑奈镔|(zhì)而越轉(zhuǎn)越快?！盢ANOGrav團(tuán)隊(duì)成員、加拿大溫哥華不列顛哥倫比亞大學(xué)的天文學(xué)家Ingrid Stairs解釋說?！安贿^，自轉(zhuǎn)速度要加速到毫秒量級(jí)需要大概10億年時(shí)間?！?/p>
“我們長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)脈沖星的信號(hào)，從相隔數(shù)月或數(shù)年時(shí)間的信號(hào)中尋找相關(guān)性。”Stairs接著說道?！叭绻Σ◤牡厍蚋浇?jīng)過，地球周圍的時(shí)空會(huì)在這個(gè)或那個(gè)方向上出現(xiàn)一點(diǎn)點(diǎn)扭曲。天空中位置相鄰的一對(duì)脈沖星，其發(fā)出的信號(hào)會(huì)因?yàn)闀r(shí)空扭曲而或早或晚表現(xiàn)出一些相關(guān)性。”科學(xué)家試圖從脈沖星信號(hào)中找到幾十納秒量級(jí)的微小變化。這些變化可能是眾多超大質(zhì)量黑洞在碰撞過程中發(fā)出的、隨機(jī)分布的背景引力波所造成的。
最近十年，我們才接近引力波探測(cè)所需要的計(jì)時(shí)精度——觀測(cè)數(shù)十個(gè)脈沖星信號(hào)的100納秒或更小量級(jí)的變化。“但我們?nèi)晕催_(dá)到觀測(cè)要求。”Stair說。
NANOGrav最有可能探測(cè)到的是處于合并最后階段的超大質(zhì)量黑洞（它們此時(shí)的軌道周期僅為1年）發(fā)出的引力波。這些黑洞質(zhì)量巨大，其加速度也大。它們發(fā)出的引力波波長(zhǎng)最長(zhǎng)（頻率最低）。這正是NANOGrav擅長(zhǎng)的觀測(cè)頻段。
天文學(xué)家期望探測(cè)到頻率為納赫茲（10的-9次方）的引力波（比廣播電臺(tái)AM信號(hào)的頻率低了15個(gè)數(shù)量級(jí)）?！拔覀兿Ｍ磥韼啄昴軌蜻M(jìn)行引力波探測(cè)，”Stairs說。一旦探測(cè)到引力波信號(hào)，他們將測(cè)量不同頻率處的信號(hào)強(qiáng)度，進(jìn)一步了解引力波源的性質(zhì)。
其它正在進(jìn)行中的引力波探測(cè)項(xiàng)目
耗資3億6千萬(wàn)美元建造的激光干涉引力波天文臺(tái)（簡(jiǎn)稱LIGO）是有史以來最雄心勃勃的地面引力波探測(cè)項(xiàng)目。該項(xiàng)目由加州理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院合作研發(fā)，已經(jīng)在10-10000赫茲頻段花費(fèi)近5年時(shí)間尋找高頻引力波?，F(xiàn)在，它正在進(jìn)行設(shè)備升級(jí)。這次升級(jí)將花掉2億5百萬(wàn)美元。地面探測(cè)器可能找到的引力波源包括碰撞中的脈沖雙星、合并中的恒星質(zhì)量黑洞、核坍縮II型超新星、甚至還有中子星的表面轉(zhuǎn)變。
LIGO的觀測(cè)設(shè)備分別放置在兩個(gè)地方。其一是美國(guó)華盛頓州的Hanford。那里建有2臺(tái)探測(cè)器，長(zhǎng)度分別為4公里和2公里。另一個(gè)是位于美國(guó)路易斯安那州的Livingston Parish的一臺(tái)4公里長(zhǎng)的探測(cè)器。每臺(tái)探測(cè)器都伸出兩個(gè)彼此垂直的長(zhǎng)臂，形如英文大寫字母“L”。激光光束則從長(zhǎng)臂內(nèi)部的真空管中穿過。
為了避免光線進(jìn)入LIGO的光子計(jì)數(shù)器，進(jìn)行干涉的激光光束都經(jīng)過仔細(xì)調(diào)整，使其波峰和波谷的位置有所偏差，只能產(chǎn)生暗干涉條紋（相消干涉）。當(dāng)引力波垂直穿過LIGO長(zhǎng)臂，它會(huì)拉長(zhǎng)一條臂內(nèi)的激光束，同時(shí)縮短另一條臂內(nèi)的光束。這種探測(cè)方法利用了激光光束自身的相消干涉。路過的引力波會(huì)暫時(shí)使激光發(fā)生相長(zhǎng)干涉，進(jìn)而允許一部分光子進(jìn)入計(jì)數(shù)器（計(jì)數(shù)器被放置在懸掛的測(cè)試質(zhì)量塊上）。這些光子將被視為探測(cè)到引力波的證據(jù)。
在運(yùn)行初期（于2010年結(jié)束），LIGO沒有發(fā)現(xiàn)引力波的蹤影。盡管如此，科學(xué)家仍然認(rèn)為L(zhǎng)IGO的探測(cè)很成功。他們接下去所要做的是升級(jí)設(shè)備——把探測(cè)器的靈敏度提高1000倍。加州理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、LIGO首席科學(xué)家Stan Whitcomb告訴我們說，明年晚些時(shí)候，LIGO將在低于最高靈敏度的情況下采集數(shù)據(jù)。在那之前，項(xiàng)目組在過去幾年時(shí)間里不斷地升級(jí)鏡面、提高激光束能量、改變測(cè)試質(zhì)量塊和懸掛裝置。
意大利和德國(guó)也各有自己的地面引力波探測(cè)設(shè)備。在意大利城市比薩附近，有一臺(tái)建造了3公里長(zhǎng)垂直臂的激光干涉儀——Virgo。它從2007年開始收集數(shù)據(jù)。不過，它至今還未探測(cè)到任何引力波?，F(xiàn)在，負(fù)責(zé)Virgo運(yùn)行的歐洲引力波天文臺(tái)正對(duì)探測(cè)器進(jìn)行升級(jí)。這次升級(jí)預(yù)計(jì)在2015年年底完成。
與此同時(shí)，德國(guó)和英國(guó)在德國(guó)漢諾威市附近建造了一個(gè)名為GEO600的引力波干涉儀。這個(gè)干涉儀的臂長(zhǎng)僅有600米。它曾與LIGO協(xié)同進(jìn)行了多次探測(cè)，并已完成了部分升級(jí)。然而，在一些科學(xué)家眼中，GEO600更像是一個(gè)研發(fā)項(xiàng)目，無法在引力波探測(cè)中占有一席之地。
全球范圍的局限
當(dāng)代地面探測(cè)器正處于引力波探測(cè)能力的風(fēng)口浪尖上，天生無法擺脫地球背景噪聲的干擾。“受人類活動(dòng)、交通、地質(zhì)活動(dòng)及風(fēng)向的噪音影響，我們?cè)?0赫茲以下幾乎什么信號(hào)也看不到。這是興建地面探測(cè)器的主要局限之一。”美國(guó)華盛頓特區(qū)美國(guó)大學(xué)的Harry Gregory說。他是LIGO項(xiàng)目光學(xué)工作組的前任主席。
廣袤的太空里沒有那么多噪聲，因此更容易探測(cè)到低頻波。不過，探測(cè)器要想在高頻段保持高靈敏度，需要高能量的激光束。這一要求在太空中比較難達(dá)到。所以，為了探測(cè)高頻引力波，Whitcomb設(shè)想在2025年前后，由新一代高靈敏度的地面干涉儀構(gòu)成一個(gè)全球引力波探測(cè)網(wǎng)。他說，這個(gè)觀測(cè)網(wǎng)可以幫助科學(xué)家協(xié)調(diào)各個(gè)引力波觀測(cè)站和觀測(cè)電磁波的望遠(yuǎn)鏡。其目的是整合各路觀測(cè)，根據(jù)引力波到達(dá)各觀測(cè)站的時(shí)間，天文學(xué)家能進(jìn)一步確定引力波的物理起源。
“了解宇宙中有多少黑洞、它們?nèi)绾涡纬伞⑺鼈兊暮喜⒂秩绾螏椭窍党砷L(zhǎng)是引力波研究領(lǐng)域最令人激動(dòng)的課題，”Whitcomb說?！皩?duì)于這些問題，我們有諸多猜測(cè)，卻缺乏這些過程的觀測(cè)數(shù)據(jù)?！?/p>
2001年，天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞共存于一個(gè)星系的中心區(qū)域。這個(gè)發(fā)現(xiàn)為小質(zhì)量星系合并形成大質(zhì)量星系——就像上圖中的NGC 6240——這一理論提供了更多證據(jù)。（圖片來源：X-RAY: NASA/CSC/MIT/C. CANIZARES, M. NOWAK; OPTICAL: NASA/STScl）
太空探索
研究引力波的科學(xué)家們?cè)缇突I劃著太空引力波探測(cè)了。在上個(gè)世紀(jì)90年代初，歐洲空間局和美國(guó)宇航局提出一個(gè)合作探測(cè)項(xiàng)目——激光干涉空間天線（簡(jiǎn)稱LISA）。此后，這個(gè)項(xiàng)目發(fā)生了巨大的變化。如今，美國(guó)宇航局已經(jīng)退出合作，歐洲空間局則繼續(xù)推進(jìn)一個(gè)2034年太空引力波天文臺(tái)項(xiàng)目。美國(guó)宇航局可能會(huì)對(duì)后面這個(gè)項(xiàng)目略有貢獻(xiàn)。原計(jì)劃的LISA項(xiàng)目不得不縮小規(guī)模。雖然縮水后的LISA項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱eLISA）依然是一個(gè)主要競(jìng)爭(zhēng)者，不過在未來幾年里，其設(shè)計(jì)理念與2034項(xiàng)目并不會(huì)形成正式的競(jìng)爭(zhēng)。
引力波研究領(lǐng)域的科學(xué)家們對(duì)2034年滿懷期待。這一年，歐洲空間局將發(fā)射一個(gè)大型天文臺(tái)到太空中去搜尋時(shí)空的擾動(dòng)。處于領(lǐng)先地位的探測(cè)計(jì)劃是縮水版的LISA項(xiàng)目。上圖是LISA探測(cè)器的想象圖。（圖片來源：AEI/MM/EXOZET/NASA/C. HENZE）
德國(guó)漢諾威市馬克斯·普朗克引力物理研究所所長(zhǎng)Karsten Danzmann說，eLISA目前采用的架構(gòu)與他在上世紀(jì)90年代初提出的方案相差不大。LISA的預(yù)想架構(gòu)包括3個(gè)1.8米長(zhǎng)的圓柱狀飛行器。它們繞太陽(yáng)飛行，并在太空中排布成一個(gè)等邊三角形（三角形邊長(zhǎng)為500萬(wàn)公里）。而eLISA則采用“1個(gè)母飛行器和2個(gè)子飛行器”排成V形的架構(gòu)（每邊長(zhǎng)為100萬(wàn)公里）。盡管架構(gòu)的改變——實(shí)際上把天文臺(tái)的規(guī)模縮小了5倍——降低了系統(tǒng)的靈敏度，卻節(jié)約了研發(fā)成本，使空間機(jī)構(gòu)能夠獨(dú)自承擔(dān)建造費(fèi)用。
eLISA將與太陽(yáng)保持1個(gè)天文單位的距離，并在距離地球2-5千萬(wàn)公里處尾隨地球飛行。其軌道面相對(duì)于太陽(yáng)系盤面呈60度傾角。它的工作模式與LIGO相似，采用2個(gè)功率為1瓦特的紅外激光束，通過比較兩個(gè)光束的干涉紋樣來搜尋引力波。eLISA和原版LISA在0.001-0.1赫茲頻段（對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍分別為3千億和30億公里）最靈敏。波長(zhǎng)如此長(zhǎng)的引力波可能源自于銀河系內(nèi)的雙白矮星系統(tǒng)、其它星系中心超大質(zhì)量黑洞的碰撞和合并，還可能（如果走運(yùn)的話）源于宇宙大爆炸。
這兩個(gè)天文臺(tái)采用了相同的探測(cè)方法。在3個(gè)飛船內(nèi)部的真空環(huán)境里，各有一些自由飛行的金-鉑立方塊。這些合金質(zhì)量塊各邊長(zhǎng)為4厘米，其表面還經(jīng)過打磨以減小摩擦阻力。探測(cè)器通過測(cè)量它們的間距變化來探測(cè)引力波?？茖W(xué)家要測(cè)量的是這些檢驗(yàn)質(zhì)量塊的相對(duì)位置。磁場(chǎng)和太陽(yáng)粒子的轟擊會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)，而且很難與引力波信號(hào)區(qū)分開。為此，所有質(zhì)量塊還進(jìn)行了消磁處理，使其對(duì)前兩者的干擾無動(dòng)于衷。Harry說，這里的基本想法是檢驗(yàn)質(zhì)量塊在空間中的運(yùn)動(dòng)只受引力影響。天文臺(tái)將使用推進(jìn)器操控飛船，使其不與“自由漂移”的檢驗(yàn)質(zhì)量塊接觸。
“到2020年為止，我們必須要完善細(xì)節(jié)，”Danzmann說。“大家都希望美國(guó)宇航局加入進(jìn)來，這樣我們可以進(jìn)一步提高項(xiàng)目的探測(cè)能力，超過歐洲獨(dú)力建造所能達(dá)到的探測(cè)能力?！比绻绹?guó)宇航局同意合作，那么eLISA將恢復(fù)成原計(jì)劃的LISA項(xiàng)目。
天文學(xué)家希望類似LISA這樣的天文臺(tái)在其觀測(cè)的頭幾個(gè)月就能發(fā)現(xiàn)數(shù)千個(gè)引力波源。這些源包括超緊密的雙中子星系統(tǒng)、超大質(zhì)量黑洞合并及旋轉(zhuǎn)落入超大質(zhì)量黑洞的恒星質(zhì)量黑洞。
歐洲空間局將在2015年年中把自己研發(fā)的LISA探路者送入太空——一個(gè)用來測(cè)試整個(gè)項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)的飛行器。測(cè)試對(duì)象包括激光干涉、自由漂移的檢驗(yàn)質(zhì)量塊、無阻力控制技術(shù)、磁學(xué)性能和噪聲。
明年，測(cè)試未來引力波天文臺(tái)技術(shù)的飛行器——LISA探路者將會(huì)發(fā)射升空。在其核心是一個(gè)裝著金-鉑檢測(cè)質(zhì)量塊的電極筒（圖上部）。在太空失重環(huán)境中，這個(gè)質(zhì)量塊將在電極筒中自由漂移，只有引力可以影響它的運(yùn)動(dòng)。（圖片來源：ESA）
回到最初
想要直接探測(cè)宇宙大爆炸產(chǎn)生的引力波，天文學(xué)家不得不放眼未來。幾年前，美國(guó)宇航局資助了一個(gè)概念研究項(xiàng)目，作為“超越愛因斯坦”項(xiàng)目的一部分，以便了解如何才能掀開遮擋在時(shí)間開端——回溯到宇宙微波背景輻射之前（宇宙大爆炸之后大約38萬(wàn)年）——前面的鐵幕。這個(gè)遍布宇宙的背景輻射記錄下電子和原子核合為一體，并且光子開始在時(shí)空中自由飛行的時(shí)刻。
這項(xiàng)研究詳述了一個(gè)大爆炸觀測(cè)者項(xiàng)目。該項(xiàng)目最早可能在本世紀(jì)中葉展開。它與LISA類似，但比后者更具野心。它需要3組——而不是3個(gè)——飛行器。這些衛(wèi)星也圍繞太陽(yáng)飛行，只是其工作頻段為0.1-10赫茲——介于LISA這樣的空間探測(cè)項(xiàng)目和地面干涉儀的工作頻段之間。
Harry是美國(guó)宇航局大爆炸觀測(cè)者項(xiàng)目概念組成員。他介紹說，大爆炸產(chǎn)生的引力波很可能隨機(jī)分布在宇宙中，而且覆蓋了很寬的波段——長(zhǎng)至宇宙可觀測(cè)部分的大小，短至數(shù)千公里甚至更短。從理論上講，類似升級(jí)版LIGO這樣的地面引力波探測(cè)器能夠探測(cè)到所有尺度上的引力波。
引力波譜：不同事件產(chǎn)生的引力波頻率也不同。上圖比較了各個(gè)引力波源的引力波頻率與目前進(jìn)行中的和未來的引力波探測(cè)項(xiàng)目的工作頻段。（圖片來源：ASTRONOMY:ROEN KELLY, AFTER C. MOORE, R.COLE, AND C. BERRY(INSTITUTE OF ASTRONOMY, UNIV. OF CAMBRIDGE)）
這種原初引力波可以幫助天文學(xué)家看到宇宙的超高速膨脹——暴漲（發(fā)生在第10的-36次方秒）。甚至更早的事件——大爆炸本身——也能產(chǎn)生引力波。如果科學(xué)家真能探測(cè)到這類引力波，它們也許能提供給我們有關(guān)極高能粒子相互作用的信息。這樣高的能段是地面人造粒子加速器所望塵莫及的。
雖然直接探測(cè)原初引力波仍是幾十年后的事，但就在數(shù)月前，宇宙學(xué)家對(duì)外宣布說他們?cè)谟钪嫖⒉ū尘拜椛渲锌吹搅吮q引力波的印跡。這個(gè)被堅(jiān)守在南極的BICEP2探測(cè)器發(fā)現(xiàn)的渦漩圖樣是極早期時(shí)空擾動(dòng)的遺跡。
今年3月，科學(xué)家對(duì)外宣布說在宇宙微波背景輻射（簡(jiǎn)稱CMB）中發(fā)現(xiàn)了“B模”極化信號(hào)。宇宙暴漲（發(fā)生在宇宙誕生后的極短時(shí)間里）產(chǎn)生的原初引力波在CMB中留下了這個(gè)渦旋圖樣。（圖片來源：THE BICEP2 COLLABORATION）
盡管如此，這個(gè)發(fā)現(xiàn)（如果得到確認(rèn)的話）仍然只是原初引力波存在的間接證據(jù)。時(shí)至今日，科學(xué)家接收到的最早的信號(hào)仍然是宇宙微波背景輻射?！坝钪嬲厥寂c微波背景輻射之間還存在著相當(dāng)大的空白，”Harry說?！澳嵌螘r(shí)間發(fā)生了什么，我們知之甚少。因此，任何有關(guān)那一時(shí)期的觀測(cè)數(shù)據(jù)都彌足珍貴。”
不過，Taylor認(rèn)為，即便真的探測(cè)到了如此古老的引力波，我們也很難斷定它們是否真的是大爆炸或暴漲的產(chǎn)物。“這些信號(hào)并沒有什么獨(dú)一無二的、可以以之命名的特征，也不會(huì)告訴我們它們來自于哪里，”他接著說。
即使如此，正如Danzmann所指出的，一旦科學(xué)家將引力波引入到日常的天文學(xué)研究中來，這個(gè)新研究對(duì)象將使這門學(xué)科發(fā)生天翻地覆的變化?！耙Σㄔ谟钪嬷袀鞑ゲ幌?，不受任何干擾，并且與光一般快，它將徹底變革天文學(xué)，”他說，“它向我們展示出的是一個(gè)依靠別的途徑無法看到的世界?！?/p>
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