全球多國科學(xué)家16日同步舉行新聞發(fā)布會，宣布人類第一次直接探測到來自雙中子星合并的引力波，并同時“看到”這一壯觀宇宙事件發(fā)出的電磁信號。這是人類歷史上第一次使用引力波天文臺和電磁波望遠(yuǎn)鏡同時觀測到同一個天體物理事件，標(biāo)志著以多種觀測方式為特點(diǎn)的“多信使”天文學(xué)進(jìn)入一個新時代。
那么，什么是引力波？
引力波百年間的發(fā)現(xiàn)與檢測
早年間，愛因斯坦還在鼓搗相對論的時候，就隱隱約約地感覺到會有引力波的存在。為什么呢？因?yàn)閻垡蛩固拐J(rèn)為，這個宇宙當(dāng)中，沒什么信號傳播速度能超光速。那么引力呢？引力的傳播要不要時間呢？牛頓的體系里引力的傳播是立刻到達(dá)，不需要傳播時間的，或者說，牛頓發(fā)現(xiàn)了引力與質(zhì)量和距離有關(guān)，具體關(guān)系可以用萬有引力來算，但是引力是如何傳遞的，牛頓沒工夫搭理。愛因斯坦認(rèn)為：引力傳播是不可能超越光速的，必定需要時間，那么顯然就會以波的形式向外擴(kuò)散，這就是引力波。
愛因斯坦雖然算出了引力波公式，但是大部分時間都是被束之高閣的，因?yàn)橐Σǜ緵]有辦法來檢測，一般的天文事件發(fā)出的引力波微乎其微。
要想檢測引力波，那有兩個條件：首先是頻率不能太低，像木星這樣的轉(zhuǎn)一圈需要十二年，恐怕沒人耗得起。年紀(jì)輕輕的研究生投身引力波觀測事業(yè)，僅僅測幾個周期就已經(jīng)到了退休年齡，這恐怕不行。還有一條就是強(qiáng)度大，微弱的引力波動很難檢測到，能符合這個條件的，只有中子星和黑洞了，也就是高密度天體。大質(zhì)量恒星塌縮成中子星或者黑洞的時候，發(fā)出的引力波微乎其微，完美對稱的過程都不會產(chǎn)生引力波。要產(chǎn)生引力波，就要靠不對稱的東西，兩個天體相互圍繞旋轉(zhuǎn)是個不錯的選擇。
實(shí)際去探測引力波，第一個吃螃蟹的人是韋伯（圖 20 - 1）。他搞了個鋁制的大圓柱，圓柱上布滿了感受應(yīng)力的晶體。引力波是個橫波，那么這個圓柱在引力波的扭曲下，會產(chǎn)生變形，晶體就能收集到這種信號。但是引力波非常微弱，而且引力波很難變成其他能量。相比之下，電磁波就很容易變成其他能量，很容易探測，電磁波也比引力波強(qiáng)得多，強(qiáng)度大了幾十個數(shù)量級，因此韋伯探測引力波的難度非常大，熱噪音就足以淹沒微弱的信號。
而且引力波探測器僅有一個肯定不行，那樣的話沒有辦法排除外界的風(fēng)吹草動，走路的腳步振動、機(jī)器振動等都會引發(fā)虛假信號。韋伯用了兩個實(shí)驗(yàn)裝置，突然有一天他發(fā)現(xiàn)接收到了神秘的信號，他大喜過望，可是這種信號后來再也沒出現(xiàn)過。孤證不立，這不算數(shù)，別人也無法重復(fù)他的發(fā)現(xiàn)，起碼要幾次重復(fù)才算能確認(rèn)的確是有效的信號。
到了二十世紀(jì)七十年代，可算有了一點(diǎn)進(jìn)展：脈沖星被發(fā)現(xiàn)了。這個脈沖星就是傳說中的中子星，脈沖星密度極高，后來又發(fā)現(xiàn)了脈沖雙星，兩顆高密度的中子星，相互圍著旋轉(zhuǎn)，速度非?？欤鼈冚椛涑鰜淼囊Σǚ浅?qiáng)。
我們的宇宙里有個基本的法則：“出來混，總要還的”，能量守恒總要遵守，一部分能量隨著引力波輻射出去了，那么脈沖雙星的總能量就要降低，軌道就會變小，相互就會越靠越近，直到最后撞在一起。
1974 年美國科學(xué)家泰勒和赫爾斯利用引力波的公式計算了一下能量的損失狀況，兩顆星每年相互靠近三點(diǎn)五米，軌道半徑逐漸變小，周期將會變慢 76.5 微秒。他們兩位花了三十年時間，仔細(xì)觀測了這一對雙星，發(fā)現(xiàn)觀測結(jié)果跟引力波的計算是完全相符的（圖 20 - 2），這是關(guān)于引力波的第一個靠譜的觀測證據(jù)，是個間接證據(jù)。1993年，泰勒和赫爾斯獲得了諾貝爾獎，以獎勵他們對脈沖雙星的研究。人家“炸藥獎”委員會只字不提引力波，因?yàn)橐Σㄟ€沒被直接觀測到。
引力探測項(xiàng)目的誕生
接下來我們不得不再一次提到基普·索恩，這個計算出可穿越蟲洞的家伙在引力波的探測方面也扮演了重要的角色。二十世紀(jì)七十年代，索恩是加州理工最年輕的物理學(xué)教授，和老師惠勒以及米斯納一起寫了《引力論》，這本書后來被譽(yù)為“引力圣經(jīng)”。
就在那個年代，索恩碰上了麻省理工的賴納·韋斯，他提供了一個想法，就是利用激光干涉儀來探測引力波。兩個人一拍即合，立馬開始去四處去忽悠人忽悠錢，沒錢那是萬萬不能的。
索恩說服了加州理工掏錢支持引力波探測項(xiàng)目，后來又把美國國家科學(xué)基金會也拉了進(jìn)來。二十世紀(jì)九十年代的時候，引力波探測項(xiàng)目還是科學(xué)基金會資助的最大的一個項(xiàng)目。僅僅有了錢不行啊，還要招攬人才。大門向全世界開放，各國都有科學(xué)家參與，現(xiàn)在“激光干涉引力波天文臺（LIGO）”已經(jīng)發(fā)展到了幾千名員工，大批科學(xué)家參與其中。索恩也很擅長向公眾普及科學(xué)知識，因?yàn)楝F(xiàn)代的大型科學(xué)項(xiàng)目離不開普通老百姓的支持，假如沒有深厚的群眾基礎(chǔ)，投資人也就沒那么熱心，不管是大學(xué)還是國家機(jī)構(gòu)，掏錢的時候都沒有那么大方。
索恩深諳此道，他寫的科普書也很暢銷，總是能夠深入淺出地講明科學(xué)道理。退休以后，索恩仍然不閑著，還擔(dān)任了大片《星際穿越》的科學(xué)顧問，成了好萊塢的“非著名演員”。老頭當(dāng)年也很樂觀，他預(yù)計 1980 年就能探測到引力波，但是迎來的是一次又一次的失望。在有生之年能不能看到引力波被探測到，誰也沒有這個把握。
這兩套 LIGO 干涉儀在一起工作構(gòu)成一個觀測所，這是因?yàn)榧す鈴?qiáng)度的微小變化、微弱地震和其他干擾都可能看起來像引力波信號，如果是此類干擾信號，只會記錄在一臺干涉儀上，另外一臺不會受影響。而真正的引力波信號則會被兩臺干涉儀同時記錄。所以，科學(xué)家可以對兩個地點(diǎn)所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得知哪些信號是噪聲，還可以利用兩臺干涉儀的數(shù)據(jù)來推斷信號來自何處，這也算是一種甚長基線干涉測量。
引力波探測器的重大發(fā)現(xiàn)
LIGO 從 2003 年開始收集數(shù)據(jù)，它是目前全世界最大的、靈敏度最高的引力波探測器，光束要在管道里面來回反射四百次， 4 千米的長度等于變成了 1600 千米。LIGO 工作了一段時間，一無所獲，因?yàn)殪`敏度還是不夠高，后來大家又花了好幾年來升級設(shè)備。
然后，剛一開機(jī)，還在調(diào)試階段，就“Duang”的一聲來了個強(qiáng)信號。經(jīng)過簡單的濾波，大家肉眼都看得出來，這是個明顯的震蕩信號，引力波信號來襲的時候，會不斷拉伸扭曲激光的光路，這樣光路就會不斷變長變短，哪怕變化僅有一個質(zhì)子直徑的千分之一，也會被察覺到。果然這運(yùn)氣不是一般的好?。?/p>
2015 年 9 月 14 日北京時間 17 點(diǎn) 50 分 45 秒，LIGO 位于美國利文斯頓與漢福德的兩臺探測器同時觀測到了GW150914 信號（圖 20 - 4）。從信號波形來看，它倆越轉(zhuǎn)越激烈，最后“Duang”地撞到一起，合并成為一個更大的黑洞。開始黑洞還不太圓，估計像個花生的形狀，只要旋轉(zhuǎn)的物體不圓，就會輻射出引力波，這個痕跡在干涉儀接收到的波形上能看出來。
隨著引力波不斷地輻射出去，黑洞也變成了完美的對稱形狀。這時候，引力波消失了，一個完全對稱的旋轉(zhuǎn)黑洞是不會有引力波輻射的，原本兩個黑洞所攜帶的角動量也合并了。角動量是守恒的，即便是合并了，角動量也不會消失。只用了零點(diǎn)二秒的時間，一個三十六倍太陽質(zhì)量的黑洞和二十九倍太陽質(zhì)量的黑洞，就這么合二為一了。
瞬間輻射出的引力波包含的能量就相當(dāng)于三個太陽質(zhì)量，瞬間輻射功率超過了我們看得見的滿天繁星的總發(fā)光功率。合并前他們速度達(dá)到了光速的零點(diǎn)六倍，這對宏觀天體來講，那是相當(dāng)厲害了。
此刻，科學(xué)界對引力波給予高度的評價！還是要說愛因斯坦他老人家英明神武，總有神來之筆，也要慶幸多虧了羅伯遜及時點(diǎn)破，避免了老愛晚年再犯一個錯誤。索恩老爺子可算是喜上眉梢了，引力波的發(fā)現(xiàn)可以說是達(dá)到諾貝爾獎級別的重大成果。
2016 年 6 月 15 日，在圣迭戈美國天文學(xué)會第 228 屆年會上，LIGO 科學(xué)家宣布第二次探測到了引力波事件。經(jīng)過幾個月的數(shù)據(jù)處理與確認(rèn)，2015 年 12 月26日 LIGO 和 VIRGO 合作組織的科學(xué)家收到了一份圣誕大禮：又聽到了一聲“Duang”，來源還是黑洞的合并。
一個八倍太陽質(zhì)量的黑洞和另外一個十四倍太陽質(zhì)量的伙伴合并了，產(chǎn)生了一個二十一倍太陽質(zhì)量的黑洞，剩下的能量伴隨引力波輻射了出去。由于這兩個家伙比上次發(fā)現(xiàn)的要小，因此“二人轉(zhuǎn)”的時間也更長，科學(xué)家們可以好好地欣賞一下它們的表演。
世界各地爭相觀測引力波
LIGO 的成功，別人都眼饞，歐洲各國都在搞引力波探測計劃，日本也不甘落后。英德兩國搞了個 GEO600 探測器，干涉臂長六百米；法國與意大利聯(lián)合搞了個 VIRGO 探測器，臂長 3 千米；日本先前有個 TAMA300 探測器，臂長僅僅三百米，顯然是拿不出手，后來他們也開始建造大型的 KaGRA 引力波探測器，如今已經(jīng)進(jìn)入調(diào)試階段。LIGO 和印度合作，還想在印度開一家“分號”，把一部分設(shè)備搬到印度去，搞一個 LIGO-India 的引力波觀測站。
地面上這種幾千米長的干涉臂對于 100 赫茲的信號最敏感，因此觀察黑洞合并特別擅長。要觀測慢速繞轉(zhuǎn)的致密雙星就不賺便宜了，因?yàn)轭l率太低，需要很長的干涉臂，還要放到太空里去搞。
于是歐美搞了個 LISA 計劃，想放到拉格朗日點(diǎn)上進(jìn)行探測，在那里可以安安靜靜地探測引力波。無奈地主家也沒有余糧，最后搞了個縮水版的 eLISA 計劃。
我國最近開始關(guān)注大科學(xué)工程，引力波又是熱門話題，所以我國也開始搞引力波探測項(xiàng)目，例如天琴計劃。太空里的探測器和地面上的探測頻段不一樣，太空里面探測 0.01 赫茲到 0.0001 赫茲的頻段比較合適，也就是雙中子星繞行的頻段，天琴計劃就是針對這個頻段的。天地之間的探測器是互補(bǔ)合作的關(guān)系，將來全球的探測器組網(wǎng)，對于精確的定位也有好處。現(xiàn)在定位很粗略，只能大約判斷一條狹長的帶，具體位置還是不太清楚。
要說引力波在科學(xué)上的意義，首先是愛因斯坦預(yù)言的引力波總算被發(fā)現(xiàn)了，更進(jìn)一步證明了廣義相對論的正確性。其次，黑洞直接向我們述說了當(dāng)時所發(fā)生的一切，這一次我們聽到了，我們并沒有靠電磁波，靠的是時空的漣漪 — 引力波，這是一場天文觀測的革命。
文章 摘自吳京平《柔軟的宇宙：相對論外傳》
