引力波及引力波的探測

張齊元+韓森

摘要： 引力波也叫引力輻射，是愛因斯坦廣義相對論中的一項重要預言，是基礎物理和天文學中一個重要的內容。人類為探索引力波付出了幾十年的努力，從早期的棒狀探測器到后來的激光干涉引力波探測器，各國學術機構和科學家們不斷采用最先進的技術尋找引力波源，探測器的探測范圍和靈敏度也不斷提高。在探測引力波的過程中，形成了一門引力波天文學的新興學科，使人們逐漸了解宇宙的奧秘，尋找宇宙中天體的運行規(guī)律，而引力波也成為了當今科學界學術重點和熱門課題。

關鍵詞： 引力波； 廣義相對論； 引力波天文學

中圖分類號： P 1-093文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2014.05.018

引言

愛因斯坦于1916年提出了廣義相對論，這是繼牛頓的萬有引力學說之后物理學上最偉大的成就之一。愛因斯坦和其他物理學家根據廣義相對論先后提出了4個預言，即光線在引力場中的偏折，光譜線在引力場中的紅移，引力波存在和黑洞存在[1]。前兩個預言很快就被證實，廣義相對論經受住了很多實驗檢驗，其中比較著名的是水星近日點，太陽引起的星光偏折，引力紅移。而作為廣義相對論中最重要預言的引力波，由于其十分微弱，所以很難被探測到，一直以來都是物理學和天文學重點研究的對象。引力波存在的間接證據是脈沖雙星PSR1913+16[2]，其發(fā)現(xiàn)者普林斯頓大學物理學家拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒也于1993年獲得諾貝爾獎。最令人興奮的是，美國科學家于2014年3月17號宣布首次直接探測到宇宙大爆炸的原始引力波，原始引力波能夠證實宇宙膨脹論，幫助人們了解宇宙誕生的歷程，是物理學上的重大突破。但隨后也有相關的研究小組質疑這一成果的正確性，有分析說原始引力波引起的偏振信號僅僅是銀河系中塵埃導致的，因此原始引力波還需要科學家進一步仔細分析檢驗。引力波的探測是當前物理學重要的前沿領域之一，引力波天文學正是以引力波探測為基礎的新興學科。由于引力輻射所具有的獨特的物理特性，使得天文學家可以更廣泛、更全面地探索宇宙的奧秘。通過引力波的探測可以搜尋未知的天體和物質，它能提供電磁輻射等傳統(tǒng)的天文觀測方式所不能夠獲取的信息。這是人類觀測宇宙的一個新窗口，擴展了天文學研究的視野和領域。

1引力波是什么

愛因斯坦認為引力是時空曲率所產生的一種現(xiàn)象，質量的存在會使周圍的時空產生彎曲，當物質在時空中運動或物質體系的質量發(fā)生變化時，周圍的時空曲率隨之發(fā)生改變，時空的波動就會像水面的波紋一樣傳播，發(fā)生引力輻射。如同人們所熟悉的電磁波一樣，電荷加速運動會產生電磁輻射，同樣質量的加速運動產生引力輻射，引力波被認為與電磁波一樣以光速在時空中傳播。當引力波經過時，周圍的時空被扭曲，物體之間的距離會有節(jié)奏地波動，頻率與引力波相同。理論上任何大小的質量改變或運動都會引起引力輻射，不過它的能量非常微弱，引力比電磁力幾乎要小39個數量級，所以現(xiàn)階段不可能在實驗室中產生可以檢測到的引力波，最好的辦法是觀測宇宙中大質量、高速運動的天體的活動。1974年赫斯和泰勒發(fā)現(xiàn)了脈沖雙星PSR1913+16，他們根據脈沖雙星軌道周期的微小變化，正是由于引力波的輻射使雙星逐漸靠近，公轉周期減短，很好地符合了愛因斯坦的預言。這是人類首次間接證明了引力波的存在。

2引力波波源

引力波的探測是物理學和天文學一個重要的課題，宇宙中主要存在的引力波的波源主要有以下幾種。

（1）密近雙星的旋繞與結合

雙致密天體互繞結合是首選的引力波源，這種雙星系統(tǒng)可以是中子星與中子星、黑洞與黑洞或者兩種的組合等。雙星以較高的頻率繞質心旋轉，在這一過程中不斷向外輻射高頻引力波，由于能量的損失，它們之間的距離逐漸減小，旋轉周期變短，最后雙星結合一體。

（2）超新星爆發(fā)以及中子星、黑洞的形成

恒星坍縮引起的超新星爆發(fā)，超新星質量大且致密，在坍縮過程中，如果星體的內核非對稱，那么將會輻射出引力波，坍縮結束后，超新星形成中子星或黑洞[3]。超大質量黑洞在不斷吞噬周圍天體時同樣會連續(xù)地產生引力波，通過探測這些引力波，可以了解超新星爆發(fā)和黑洞形成的機制，以及超大質量黑洞的運行規(guī)律。

（3）微波背景輻射

宇宙早期爆炸留下了引力波痕跡。目前普遍認為宇宙形成于一次大爆炸，在極短的時間內，發(fā)生了劇烈的變化，引發(fā)強大的引力波，在漫長的進化過程中，原始的引力波依然廣泛分布于宇宙中，美國科學家正是使用射電望遠鏡，尋找到了隱藏在宇宙背景中的引力波，為宇宙的形成及進化過程找到了強有力的證據[4 -6]。

3引力波探測

在浩瀚無垠的宇宙中存在大量的引力波源，包括孤立的引力波源以及背景的殘余引力波。孤立的引力波源包括中子星、黑洞等，背景的殘余引力波主要是由宇宙早期的大爆炸形成，它們的物理運動機制不同，所產生的引力波周期、振幅、波形也不同。國際上根據引力波的測量方式，將引力波的頻段分為：高頻波段、低頻波段、甚低頻波段和極低頻波段4個頻段。探測引力波的方法主要有共振棒和激光干涉，激光干涉又分為空間和地面兩種，用于測量不同頻率的引力波。

20世紀60年代，美國馬里蘭大學物理學家約瑟夫·韋伯首次采用鋁制棒狀探測器，鋁棒探測引力波的原料類似于天線接收電磁波，鋁棒重1.4 t，長2 m，直徑1 m，用細絲懸掛起來，具有很高的品質因子。當有引力波通過時，鋁棒與引力波發(fā)生諧振，使鋁棒產生形變，通過固定在鋁棒上的壓電傳感器感知鋁棒的變化。這種方法靈敏度高，但相對于引力波來說還遠遠不夠，輕微的振動都會激發(fā)傳感器，這些``噪聲''極大地影響了引力波的探測。為了排除這些干擾，韋伯使用幾個鋁質共振棒，重點觀測這些鋁棒同時出現(xiàn)的信號。1969年韋伯宣布探測到引力波。但經過其他學者的論證，所謂的引力波可能是其他噪聲。其后，世界上其他國家通過引入超低溫技術，減少噪聲，搭建了精度更高的棒狀探測器，都未能得到與韋伯同樣的結果。雖然實驗沒有成功，但其測量引力波的原理被廣泛認可。

1970年，韋伯與加州理工學院的萊納·魏斯等人意識到激光干涉探測引力波的可能性，激光干涉采用邁克爾遜的干涉形式，引力波會引起兩個臂長的變化，導致干涉條紋的變化，通常不同的引力波引起干涉臂長的變化也不同，因此激光干涉儀是最直接的引力波探測。探測引力波所要求的靈敏度要達到10-21，而干涉儀的臂長有限，所以在每個干涉臂采用法布里-玻羅干涉腔，增加一塊反射鏡，使激光在干涉臂中反復循環(huán)，增加激光的光程長度。當引力波影響臂長及干涉條紋的變化時，激光在兩干涉臂中穿越的時間差發(fā)生改變，只要探測到這種變化就可以發(fā)現(xiàn)引力波。

20世紀70年代，由于當時的技術所限，無法完成激光干涉探測引力波這樣浩大的工程，最初各國只是在實驗室內建立了臂長幾米至幾十米的原型機。20世紀90年代，相關的技術條件成熟，麻省理工學院與加州理工學院在美國國家自然資金資助下，開始建造激光干涉引力波天文臺LIGO（laser interferometer gravitational-wave observatory）。資金投入3.65億美元，于1999年11月分別在路易斯安那的利文斯頓和華盛頓州的漢福德建造了兩臺，其中利文斯頓天文臺（LLO）臂長4 km，漢福德天文臺（LHO）臂長2 km。兩臺引力波探測器彼此相距3 000 km，當它們同時檢測到的信號才有可能是引力波。2005年，為進一步提高引力波探測器的靈敏度，激光干涉引力波天文臺進行升級改造，激光功率提升至180 W，其探測范圍擴大1 000倍，靈敏度提高一個數量級，稱為先進激光干涉引力波天文臺（Advanced LIGO）。

除美國外，目前還有德國、意大利、日本和印度等幾個國家擁有并計劃建造激光干涉引力波探測器。GEO600是由德國和英國聯(lián)合建造，項目開始于1995年，位于德國漢諾威南部的薩爾斯特附近，GEO600的干涉臂長600 m，有效光學臂長1 200 m，可以探測的引力波的頻率范圍50 Hz～1.5 kHz。Virgo是意大利和法國合作的引力波探測器，于2005年建成，并在2007年5月首次運行。Virgo位于意大利比薩市的郊區(qū)，干涉臂長有3 km，每個干涉臂的有效光程可達100 km，為了滿足極高的靈敏度要求，意大利和法國的科學家使用了當時很多領域最尖端的技術，比如超高功率穩(wěn)頻激光器，極高反射率反射鏡等。目前該項目以每年一千萬歐元運行。日本在1995年開始建造TAMA300干涉儀，位于日本國家天文臺三鷹校區(qū)，其臂長為300 m。2010年6月，日本又開始研制新一代引力波探測器LCGT（large scale cryogenic gravitational wave telescope），2012年1月，LCGT項目更名為KAGRA，位于日本的神岡。為避免地面的噪聲，計劃建設位于地下的大型干涉儀，臂長3 km，激光功率150 W預計2018年開始運行，預期靈敏度是TAMA300的100倍，可以媲美Advanced LIGO。印度在2012年啟動INDIGO項目，計劃建造干涉臂長4 km的引力波探測器，預期在頻率范圍30～800 Hz內的靈敏度為10-23/Hz-1/2。這些引力波探測器全部建成后，可以同時從不同角度對宇宙進行觀測，組成引力波探測網絡，提高搜索到引力波的概率。

由于不能完全消除地面振動的噪聲，即使采用最先進的隔震措施，其最低的下限頻率為1 Hz，更低頻率的引力波LIGO等地面引力波干涉儀便無法探測，因此，美國NASA和歐洲ESA計劃聯(lián)合建設空間激光干涉天線LISA（laser interferometer space antenna）。LISA項目主要探測是低頻引力波，頻率范圍為10-4 Hz～1 Hz[7]，這個頻率范圍內可能存在著大量的引力波源。LISA的結構與LIGO類似，計劃在太陽軌道上放置3個宇航器，排成等腰三角形，彼此相距500萬km，在每個三角形的頂點，一對連續(xù)的穩(wěn)定的激光向另外兩端發(fā)射，這樣構成3個邁克爾遜干涉儀。其后由于經費問題，NASA退出LISA，該項目便由ESA獨立承擔，更名為eLISA，是LISA的簡化版，項目由原來的3個宇航器精簡為一個主宇航器和兩個副宇航器。主宇航器與副宇航器之間的距離減少為100萬km[8-9]，在保持測量精度與LISA一致的前提下，仍可以探測到有意義的引力波源。eLISA不會取代LIGO等地基引力波探測器，它們探測引力波的頻率不同，擴大了人類探索引力波的范圍。

我國目前有多家單位對引力波這一課題進行研究，包括國家天文臺、中科院高能物理所等科研院所以及北京師范大學、華中科技大學等高校。北京師范大學天文系宇宙與引力波中心在宇宙加速膨脹、暗能量等方向取得了一些研究成果。2014年7月，中科院高能所的粒子天體物理中心和加拿大的學者合作，根據年初美國科學家發(fā)現(xiàn)原始引力波的數據進行分析并發(fā)表文章認為，宇宙在大爆炸之前可能不是奇點而是一個壓縮的時空，并在暴漲時期之前發(fā)生了一次反彈，宇宙的模型可能更像一個彈簧。這為宇宙的起源學說提供了一個新觀點，為人類研究宇宙提供了一種新的可能性。

4探測引力波的意義

引力波的探測是物理學和天文學共同的領域，對引力波的探測可以對廣義相對論直接驗證，同時也為觀測宇宙提供了一個新的途徑。由于引力波具有電磁輻射所不具備的特性，因此對于傳統(tǒng)的通過電磁輻射觀測宇宙的方式是極其重要的補充[10]。例如在宇宙暴漲的初期，電磁波無法穿越其中，引力波是人們目前了解宇宙誕生并進化的最好方式。如果引力波最終被證實，這將是物理上又一個里程碑式的事件，對基礎物理有著深刻的影響，使人們對時空觀重新認識。在天文學上，天文學家可以對黑洞、超新星、中子星等天體進行更深刻，更廣泛，更全面的分析，確定很多目前運行機制尚不明確的天體模型，是繼傳統(tǒng)的電磁輻射觀測宇宙之外一個新的窗口。

而對引力波探測的激光干涉探測器工程，同樣對世界的科技進步有重要意義。為了滿足觀測引力波的極端苛刻條件，需要使用目前最尖端的科技和工程技術。例如，為使在兩反射鏡之間往返的激光能量損失小，反射鏡必需具有極高的反射率；為減小噪聲的影響，干涉儀必需安置在隔震系統(tǒng)中，儀器運行的環(huán)境通常比太空軌道還安靜；為減小物體分子運動產生的熱噪聲，采用流體硅替代鋼絲懸掛質量塊；為增大儀器靈敏度，采用大功率超穩(wěn)頻激光器等。這些技術對工程領域和科學技術是極大的挑戰(zhàn)，對國家工業(yè)發(fā)展起到促進作用。在學術上，引力波探測也提供了獲取諾貝爾獎的潛在機會，可以培養(yǎng)一批優(yōu)秀的學生和學者，在這個領域出現(xiàn)高水平的物理學家、天文學家和工程技術專家。

5結束語

引力波是廣義相對論中的最重要預言，探測引力波是當前物理界和天文界最前沿的領域之一。自20世紀60年代以來，引力波的探測已經取得了很大進步，特別是激光干涉的方法使直接探測的引力波成為可能。隨著LIGO等地基引力波探測器的升級和新一代太空激光干涉引力波探測器項目的實施，未來的探測器以更高的靈敏度搜尋范圍更廣的引力波源，而這些最先進的科學項目也會推動科技的飛速發(fā)展，同時改變人們對基礎物理和宇宙的認識。

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