引力波引發(fā)了一場盛宴

王小

2016年2月16日，中國科學(xué)院公布“空間太極計劃”，目的是研究與探測空間引力波。按該計劃，將在2030年前后發(fā)射3顆衛(wèi)星組成的引力波探測星組，用激光干涉方法進行中低頻波段引力波的直接探測。

這不難讓人聯(lián)想到五天前，一個聯(lián)合研究團隊向全世界宣布，美國的激光干涉引力波觀測站（LIGO）首次直接探測到了引力波。

在距離地球十幾億光年之外的一個遙遠星系中，兩個黑洞發(fā)生了碰撞。它們彼此圍繞旋轉(zhuǎn)了億萬年，逐漸靠近對方，其劇烈的運動擾動了周圍的時空，就像水波一樣向外傳播開去，這種彎曲時-空中的漣漪就是引力波。最終在不到一秒鐘的瞬間，兩個黑洞合并成了一個新的黑洞，質(zhì)量約62個太陽質(zhì)量一般，在新黑洞平靜下來的過程中，逐漸形成一個扁平的球狀，最后的幾縷顫抖的能量逃離出去。然后時間和空間再次寂靜了。

擾動時空的引力波，終于在2015年9月14日9時51分（北京時間當天下午17時51分），到達地球，被美國LIGO直接探測到了。中山大學(xué)天文與空間科學(xué)研究院院長李淼對《財經(jīng)》記者說：“LIGO這一劃時代的發(fā)現(xiàn)開啟了物理學(xué)的引力波時代，引力波從此由理論上的存在變成事實上的存在。”

這一新發(fā)現(xiàn)是如此激動人心。“研究所的理論物理學(xué)家多數(shù)聚集在餐廳觀看引力波探測的新聞發(fā)布會?？吹叫及l(fā)現(xiàn)引力波的一刻大家一起歡呼鼓掌……其實本該在辦公室獨自觀看，因為在公開的場合必須強忍淚水。”美國麻省理工學(xué)院物理教授文小剛在朋友圈寫道。

這個發(fā)現(xiàn)將極大促進其他引力波探測實驗的發(fā)展。中國就引力波的研究討論了將近十年的時間。和引力波探測相關(guān)的計劃有兩個，除了中國科學(xué)院在2008年就自己悄悄實施的“空間太極計劃”外，還有中山大學(xué)2014年提出，2015年啟動的“天琴計劃”。

其實，自1916年愛因斯坦發(fā)表論文論證了引力波后，科學(xué)界對實證引力波就躍躍欲試。由于技術(shù)、資金等的限制，直到20世紀70年代，世界上有幾個實驗室陸續(xù)研制并安裝了利用激光干涉探測法進行引力波探測的設(shè)備，即激光干涉引力波探測器，如美國LIGO、德國GEO600、日本TAMA和意法合作的VIRGO。

此次發(fā)現(xiàn)引力波，就是LIGO科學(xué)合作組織（包含GEO合作組織和澳大利亞干涉引力天文協(xié)會）以及Virgo合作組織共同完成的，數(shù)據(jù)則來自美國LIGO探測器。

美國LIGO項目在上世紀90年代初啟動。LIGO擁有兩套干涉儀，一套在路易斯安納州的列文斯頓，另一套在華盛頓州的漢福德。列文斯頓的干涉儀有一對封閉在直徑112米真空管中的長4000米的臂，漢福德的干涉儀稍小，是一對2000米長的臂。兩個探測器距離3000公里（相當于光速傳播10毫秒）?；驹硎?，比較光在相互垂直的兩臂中度越時所用的時間。當引力波在垂直于干涉儀所在的平面入射時，由于它特殊的偏振特性，使干涉儀的一臂伸長而使另一臂縮短，從而使光束在兩臂中度越時所用的時間差發(fā)生變化，探測到這種變化就證實引力波存在。

“太極計劃”、“天琴計劃”與美國LIGO基于地面的觀測系統(tǒng)不同，中國計劃是把觀測放在空間。李淼介紹，“天琴計劃”將分四個部分，用20年時間執(zhí)行。首先是“月地測距”，就是月亮到地球的距離;第二步發(fā)射一顆衛(wèi)星，驗證廣義相對論中的原理，及“天琴”未來研究所需要的技術(shù);第三步，再發(fā)射兩顆衛(wèi)星，一前一后繞著地球轉(zhuǎn)，可測量出地球質(zhì)量的分布、內(nèi)部的礦產(chǎn)資源等。最后，放三顆衛(wèi)星到距地球50萬公里的高軌上測量引力波。

“太極計劃”被列入中科院制定的空間2050年規(guī)劃。該計劃首席科學(xué)家、中科院院士胡文瑞介紹，這是一個中歐合作的國際合作計劃，有兩個方案。方案一是參加歐洲空間局的eLISA雙邊合作項目，計劃于今年秋天舉行第三次雙方科學(xué)家會議，并完成雙邊合作的可行性報告;方案二為2033年前后發(fā)射一組中國的引力波探測衛(wèi)星組，與2035年左右發(fā)射的eLISA衛(wèi)星組，各自獨立進行引力波探測，互相補充和檢驗測量結(jié)果。

可以說，美國LIGO的新發(fā)現(xiàn)僅僅是人類探測引力波的開端，因為其僅限于可能輻射引力波很多種源中的一種，即合并的雙黑洞系統(tǒng)，且處于銀河系外。李淼說：“引力波存在且可以被探測到，人類觀測宇宙從此有了兩個窗口：電磁波和引力波。引力波天文學(xué)將成為物理學(xué)與天文學(xué)一個新分支，人類將更加深刻地認識宇宙。天文學(xué)在21世紀將進入引力波天文學(xué)時代?！?