引力波天文学的新浪潮

发布时间：21年08月25日

编译乔琦

2015年，人类首次探测到了黑洞碰撞产生的时空涟漪。现在，天体物理学家把搜寻目光转向了大爆炸本身产生的波。

Lisa探测器艺术家想象图。Lisa探测器是目前正在筹备中的空间引力波天文台，共由3个部分组成，各部分相距数百万千米，通过激光互相传递信号。图中展示的是其中一部分

科学家认为，大约在大爆炸开始之后一百亿亿亿亿分之一秒时，宇宙经历了一段虽然短暂但非常剧烈的快速膨胀时期。这一现在被称为“暴胀”的事件，实在是太过猛烈，以致空间与时间的结构都产生了剧烈震动，同时释放出引力波。与之相比，6年前，人类探测到的引力波虽然引发了轰动，但其源头——黑洞碰撞事件只能算是小巫见大巫。不过，现在，欧洲空间局的科学家已经把目光投向更宏大的目标。他们期望，不久之后就能使用人类历史上最大的探测器，在暴胀发生近140亿年后，探测到发生在宇宙婴儿时期的这一事件的微弱回响。欧洲空间局目前正在规划的这座引力波天文台，在空间中的跨度千百倍于地球。这座天文台在正式投入使用之后，会漂浮在空间中，搜寻各种由剧烈天体物理学震动事件产生的时空晃动，也即引力波。

人类认证的第一个引力波事件是由激光干涉引力波天文台（LIGO）在2015年发现的。这一国际项目的3位主要成员也凭借这一发现获得了2017年诺贝尔物理学奖。LIGO由两部分别位于美国华盛顿州和路易斯安那州的巨型探测器组成。每部探测器都使用了两条长2.5英里（4千米）且互成直角的隧道，也就是探测器的双臂。激光会沿着隧道一路传播，在碰到尽头的镜子后反弹回来。双臂反弹后产生的光波会互相干涉。引力波经过时，会非常轻微地让时空收缩或伸展。由于这一现象对探测器双臂的影响有差异，光波的同步性就会发生变化，它们的干涉结果也会随之改变。

LIGO并不孤单。位于意大利的室女座干涉仪（Virgo）在2015年圣诞节探测到第二个引力波事件，并且随后得到联合认证。2020年早些时候，日本的“神冈”引力波探测器也已经开始工作。印度和中国也计划建造类似的引力波探测器。

到目前为止，我们探测到的大部分引力波事件都是由两黑洞碰撞引起的。而黑洞的前身则是那些质量比我们的太阳大上许多倍的恒星。它们在把所有“燃料”烧光后，便在自身引力的作用下坍缩，最后形成黑洞。按照爱因斯坦的广义相对论——引力是质量引起的时空扭曲——坍缩会不断持续下去，直到再也没有留下任何东西，只剩下一个密度几乎是无穷大的“奇点”为止。奇点会产生无比强大的引力场，连光都无法逃脱。

两个黑洞发生了碰撞?这一事件由激光干涉引力波天文台（LIGO）率先探测到?上图展示的是计算机模拟产生的静态照片

位于弗吉尼亚的美国国家射电天文台格林班克望远镜（GBT）也是纳赫兹引力波天文台项目的一部分

如果两个黑洞都进入对方的引力范围，那么它们就会相互绕转，同时逐渐靠近，最后合并到一起。早在一个多世纪之前，广义相对论就预言，这类事件会释放出向整个宇宙荡漾开去的引力波。不过，在LIGO探测到引力波之前，人们始终没有找到引力波存在的直接证据。其他极端天体物理学事件也会产生引力波，比如中子星合并。中子星的前身，就是一些质量同样很大但小于黑洞的恒星。它们在烧光燃料后也发生了坍缩。与黑洞不同的是，它们的坍缩更早停止。最终留下的这个天体密度非常高，一小点物质就相当于5000万头大象的质量，这就是中子星。

引力波也可以由庞大得多的天体产生。在我们银河系的中心，以及其他许多星系的中心，都隐匿着一个超大质量黑洞。这种天体的质量是我们太阳的几百万倍，由恒星、宇宙气体和尘埃云坍缩形成。物体以螺旋形式掉入这些超大质量黑洞时也会产生引力波，只不过，相比LIGO和Virgo探测到的那些小黑洞合并产生的引力波，前者的频率更低、波长更长。

地面上的探测器不可能探测到超大质量黑洞产生的引力波——这就像是想在龙虾锅里抓到鲸一样。要想探测到这类引力波，干涉探测器就需要很长很长的臂，比LIGO和Virgo的要长得多得多。这个问题很棘手，因为每条臂不仅要很长，而且还要臂内的隧道笔直、空旷、完全没有振动，这在地球上很难实现。于是，研究者就转而计划在空间建造低频引力波探测器。其中最先进的当属欧洲空间局现在正在打造的激光干涉空间天线（Lisa）。

Lisa由3个航天器构成，每个航天器能都发出激光束，并且内部都设有一面可以自由漂浮的镜子。激光束在打到另两个航天器内的镜子时就会反弹回来，这样就得到一种类似LIGO的L型双臂结构。不过，Lisa的双臂并不一定呈直角，相反，它的3个航天器构成了一个三角形，3个航天器就是三角形的三个顶点，互相之间相距数百万英里。整个阵列沿地球轨道运行，且与地球保持大约3000万英里的距离。

2015年，为了测试在空间中形成激光干涉的可行性，欧洲空间局发射了名为“激光干涉空间天线开路者”的先锋探测器——这部航天器会在空间进行小规模测试。2017年，这项任务顺利完成。负责这项任务的项目科学家、欧洲空间局保罗 · 麦克纳马拉（Paul McNamara）说：“令我们大吃一惊，‘开路者’号运行第一天就达到我们的要求，没有任何调整，什么都没做。”这项任务证明，悬浮在航天器中的镜子可以不可思议地稳定，晃动不超过一个原子大小的千分之一。为了保持镜子稳定，航天器会自主产生一点点推力以抵消太阳光对镜子产生的力。

麦克纳马拉表示：“换句话说，我们的航天器在空间会比新冠病毒大小的东西在地球上还要稳定。”这种高度稳定性正是Lisa需要的，因为它的探测目标是低频引力波引起的极微小臂长变化——具体来说，就是100万英里的长度上出现了大约一个原子直径1/10的变化。

不过，Lisa正式升空至少在10年之后。麦克纳马拉说：“我们要打造3部航天器，每一部都要搭载很多仪器；耗时会很长——这是在实施非常复杂的项目时必须要面对的不幸事实之一。”Lisa项目的下一个里程碑应该是官方的“项目实施”，预计在2024年。“届时，我们就会知道任务的具体细节，其中包括欧洲空间局参与这个项目的成员国、美国在项目中的作用以及项目预算。”约翰霍普金斯大学天体物理学家埃马努埃莱 · 贝蒂（Emanuele Berti）说。

中国和日本正处于筹备类似的空间引力波探测器项目的起步阶段。麦克纳马拉并不认为这是一种竞争，而是一件好事——因为有了多部探测器之后，就可能凭借三角视差法精确定位引力波的源头。

贝蒂说：“Lisa会让引力波天文学发生翻天覆地的变化，就像探测范围超越可见光（射电波、X射线等）彻底改变了普通天文学一样；它能找出各种引力波源头。”他还表示，通过研究超大质量黑洞合并现象，“我们希望了解更多有关宇宙结构形成以及引力本身方面的知识”。此外，如果Lisa真的探测到宇宙在大爆炸之初暴胀时期产生的“原初”引力波，那就可以检验各种有关万物之始的理论。

或许还有其他方法能够探测到低频引力波，而且这个方法甚至不需要专门建造探测器。一个名叫“北美纳赫兹引力波天文台”的合作项目正在利用全球射电望远镜网络的观测结果寻找引力波对“宇宙时钟”脉冲星计时效果的影响。

脉冲星是快速自转的中子星，两极会释放出高密度射电波。这些射电波像灯塔发出的光束一样扫过整个天空。脉冲星释放的这类信号非常有规律和可预测。但是，田纳西范德比尔特大学的纳赫兹引力波天文台项目成员斯蒂芬 · 泰勒（Stephen Taylor）说：“如果脉冲星与地球之间有引力波经过，那么脉冲星与地球之间的时空就会变形，导致脉冲星释放的脉冲抵达地球的时间提前或推迟。”

从效果上说，脉冲星自身就是探测器。科罗拉多大学博尔德分校的纳赫兹引力波天文台项目成员朱利 · 科莫福德（Julie Comerford）说，这部“探测器”的臂长就是脉冲星与地球间的距离：可以长达成千上万光年。由于空间跨度极大，纳赫兹引力波天文台探测到的信号波长很长，频率很低，甚至超过了Lisa的探测范围以及质量数十亿倍于太阳的特大质量黑洞所在星系碰撞、合并时释放的引力波。泰勒表示，这是其他任何探测器都无法企及的领域。虽然特大质量黑洞所在星系的碰撞、合并事件无疑是不可想象的灾难，但实际上，这类事件在宇宙中相当常见，而纳赫兹引力波天文台就能探测到这类事件产生的某种躁动。科莫福德说：“整个宇宙中，有很多对互相绕转并释放引力波的超大质量黑洞，这些涟漪汇聚成引力波的海洋，我们在其中漂泊。”

2021年1月，科莫福德的博士后研究员约瑟夫 · 西蒙（Joseph Simon）在科罗拉多领导的纳赫兹引力波天文台团队率先报告，可能探测到了这种引力波背景。虽然仍需进一步确认他们探测到的信号确实由引力波引起，但科莫福德称这一结果是“过去几年中，我见过的最令人兴奋的天体物理学发现”。

如果说，纳赫兹引力波天文台项目相当于使用了一部大小以光年计的引力波探测器，那么伦敦大学学院物理学家索加托 · 博斯（Sougato Bose）认为，我们也可以建造一个小到能塞到橱柜里的探测器。他这个想法的基础是量子理论的最古老效应之一。我们可以让量子物体进入一种所谓的“叠加”状态，即其特性在测量之前不确定，可能出现多种测量结果。

量子科学家可以惯常地将原子置于量子叠加态下。但对于像足球这样的大型物体，叠加态这种奇怪的现象就消失了；无论我们有没有观察它，它都会在那里或这里。就我们目前所知，这么大的物体不是不可能进入叠加态，而是它们维持叠加态的时间实在太短，完全无法探测到，因为物体与环境间的相互作用会轻易破坏叠加态。

博斯及其同事认为，如果我们能让大小介于原子和足球之间的物体（直径大约100纳米左右，大致相当于大型病毒粒子的微小晶体）进入量子叠加态，那么由于这种状态相当不稳定，对经过的引力波会很敏感。实际上，量子叠加中的两种可能状态可以像两道光波一样发生干涉，引力波引起的时空扭曲会改变这类干涉效果。

博斯认为，将金刚石纳米晶体存放在比外太空还空旷的真空中，然后再冷却到接近绝对零度的温度，就能让它维持叠加态足够长的时间，以完成上述目标。这当然不是轻而易举的事，但博斯表示，所有技术挑战都已经单独证明——这是把它们全都拼合到一起的问题。“只要有足够的资金支持，大约10年后就能实现这个目标，我看不到有什么明显的障碍。”博斯说。