引力波，你了解多少？

□ 著 LIGO科學(xué)合作組織 / 譯 胡一鳴 范錫龍

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引力波，你了解多少？

□ 著 LIGO科學(xué)合作組織 / 譯 胡一鳴 范錫龍

1.引力波是什么？

引力波是彎曲時(shí)空的波動(dòng)，由宇宙中最劇烈的物理過程，如黑洞碰撞、恒星爆發(fā)乃至宇宙誕生本身所產(chǎn)生。1916年，阿爾伯特?愛因斯坦根據(jù)他的廣義相對論，預(yù)言了引力波的存在。愛因斯坦運(yùn)用數(shù)學(xué)證明：如中子星或黑洞這樣的大質(zhì)量天體，當(dāng)它們互相繞轉(zhuǎn)而做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)空的扭曲以波動(dòng)的形式向外散開，進(jìn)而擾動(dòng)外圍的時(shí)空。這些波就是引力波，它們以光速在宇宙中傳播，并攜帶著波源的信息以及引力的根源。

2.我們?yōu)槭裁匆綔y引力波？

探測并分析引力波所攜帶的信息，將會使我們用一種前所未有的方法認(rèn)識宇宙，這將為我們開啟一個(gè)全新的研究宇宙的窗口。縱觀歷史，科學(xué)家一直主要依靠電磁波段（可見光、X射線、無線電、微波等）的觀測來理解和研究宇宙中的物理現(xiàn)象。最近幾年，中微子這一亞原子粒子亦被用來研究宇宙?？偠灾恳环N信息渠道都為科學(xué)家們提供了不同且互補(bǔ)的宇宙圖景，每個(gè)新窗口的開啟都會帶來令人激動(dòng)的新發(fā)現(xiàn)。

3.既然我們還沒有直接探測到引力波，我們怎么確信它真的存在呢？

雖然早在1916年，愛因斯坦就預(yù)言了引力波的存在，但直到1974年，兩位天文學(xué)家羅素?赫爾斯（Russell Hulse）和約瑟夫?泰勒（Joseph Taylor）發(fā)現(xiàn)了一對脈沖雙星（兩個(gè)相互繞轉(zhuǎn)的中子星），才給出了引力波存在的觀測證據(jù)?？茖W(xué)家測量了兩顆星公轉(zhuǎn)軌道隨時(shí)間的變化，發(fā)現(xiàn)其與廣義相對論的預(yù)言高度一致。毋庸置疑，引力波帶走了這個(gè)雙星系統(tǒng)的能量。此后，更多的類似雙脈沖星系統(tǒng)被發(fā)現(xiàn)，并被觀測到類似的效應(yīng)，這更加確定了引力波的存在。然而，這都算不上鐵證如山，只是觀測到了遙遠(yuǎn)天體被幕后的引力波影響造成的效應(yīng)，而不是引力波在地球所產(chǎn)生的物理效應(yīng)。在這個(gè)意義上來說，LIGO和其他類似的引力波探測器將會第一次直接探測到引力波到達(dá)地球的效應(yīng)。

4.LIGO是什么？

LIGO（Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory）是激光干涉引力波觀測臺的簡稱，是世界上最大的引力波天文臺，也是世界上最精密的物理儀器之一。LIGO由兩個(gè)相距數(shù)千千米的激光干涉儀組成：一個(gè)位于路易斯安那州的利文斯頓（Livingston Louisiana），一個(gè)位于華盛頓州的漢福德（Hanford Washington State）。LIGO利用光和空間本身的物理特性來探測引力波。它由美國國家科學(xué)基金會資助，由加州理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院共同管理。來自多個(gè)國家的上百名科學(xué)家組成了LIGO科學(xué)合作組織，負(fù)責(zé)LIGO相關(guān)的儀器研制和天體物理研究。

LIGO觀測站呈L型布局。圖片來源：Advanced LIGO

5.LIGO是如何工作的？

像LIGO這樣的干涉儀由兩個(gè)相互垂直的干涉臂（LIGO的每個(gè)干涉臂長4千米）組成。每個(gè)干涉臂的一端發(fā)著激光，另一端有鏡子反射激光。當(dāng)有引力波經(jīng)過，空間的拉伸和壓縮會引起干涉臂變長或者縮短，即在一個(gè)變長的時(shí)候另一個(gè)變短。當(dāng)干涉臂改變其長度時(shí)，兩束激光分別沿著不同的臂傳播了不同的距離，這意味著兩束激光不再同步，因此干涉條紋就會出現(xiàn)，這也是我們稱LIGO為干涉儀的原因。由于臂長的變化很小，通常來說，當(dāng)引力波經(jīng)過時(shí)，我們預(yù)計(jì)臂長的變化僅為質(zhì)子尺寸的萬分之一！幸好LIGO干涉儀非常靈敏，即使如此微小長度的變化量也可以探測到。LIGO的科學(xué)家們能夠看到不同類型的引力波經(jīng)過時(shí)因臂長變化而產(chǎn)生的不同干涉條紋。一旦他們看到這些干涉條紋，就可以確信有引力波通過了探測器！

圖片來源：http://www.ligo.org

圖中是在LIGO項(xiàng)目中作為測試質(zhì)量的部件。圖片來源：https:// ligo.caltech.edu

6.如果引力波拉伸了LIGO兩個(gè)鏡子之間的距離，難道沒有同時(shí)拉伸激光的波長嗎？

引力波確實(shí)會拉伸或者壓縮在干涉臂中傳播的激光的波長，但是干涉條紋并非由臂長與以激光波長為刻度的尺子之間的差別產(chǎn)生。相反，干涉條紋是由光波“波峰和波谷”在不同干涉臂里面到達(dá)時(shí)間的不同而引起的。所以，激光的作用不是尺子，而是秒表。

7.LIGO在尋找什么類型的引力波？

LIGO的科學(xué)家已確定了四種引力波，干涉儀對每一種引力波都有獨(dú)一無二的響應(yīng)特征。

連續(xù)引力波來自像中子星這樣異常致密天體的自轉(zhuǎn)過程。中子星上的任何隆起或非球?qū)ΨQ形變都會隨著自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生連續(xù)的引力波。

連續(xù)引力波。圖片來源：Centre for Gravitational Physics/Australian National University

致密雙星并合引力波是指兩顆大質(zhì)量致密天體的相互繞轉(zhuǎn)并合，這種天體既可以是中子星，也可以是黑洞。引力波的釋放會導(dǎo)致雙星系統(tǒng)損失軌道能量。隨著時(shí)間的推移，這兩顆恒星就會越靠越近，相互繞轉(zhuǎn)也越來越快，直到它們并合！這是宇宙中所發(fā)生的最劇烈的事件之一。天文學(xué)家預(yù)言，在宇宙中能被獨(dú)立分辨的連續(xù)引力波波源和致密雙星并合實(shí)在是少之又少，因此，我們不必?fù)?dān)心有多個(gè)引力波會同時(shí)經(jīng)過地球而產(chǎn)生混淆。

兩個(gè)黑洞產(chǎn)生的引力波模擬圖，圖片來源：NASA/ESA/ Wikimedia。

但是，還有一種背景信號，來自于宇宙各處并互相疊加。這有點(diǎn)類似于在嘈雜人群中產(chǎn)生的嗡鳴聲，我們把這種引力波稱為隨機(jī)引力波背景。這種引力波背景的一部分可能來自于宇宙大爆炸，對這種原初引力波的探測，能讓我們掌握別的手段所探測不到的宇宙早期信息。

引力波暴是第四種引力波，這是完全未知的信號。當(dāng)然，假如你連要探測什么都不知道，做起來就更是難于上青天了。然而，一旦探測到引力波暴，它本身就提供了獲得宇宙中前所未知信息的最佳途徑。

8.初代LIGO沒有探測到引力波，這是不是出人意料？

并不盡然。在此過程中，我們詳盡地研究了探測器的性質(zhì)，此外，在積累數(shù)據(jù)的同時(shí)，我們還會進(jìn)行所謂的“盲注”。在我們的合作組織中，一小部分人會秘密地把一個(gè)假的信號加入到探測器數(shù)據(jù)中，來測試我們是否對儀器了解地足夠準(zhǔn)確，進(jìn)而能成功地把這個(gè)數(shù)據(jù)探測出來。在初代LIGO實(shí)驗(yàn)的一次科學(xué)運(yùn)行期間，似乎探測到了一個(gè)來自大犬座的信號（所以后來這個(gè)信號被稱為“大犬”），似乎是距離在60~180兆光年外的雙星并合事件。我們把整個(gè)分析過程重復(fù)了很多遍，把所有的細(xì)節(jié)都詳盡地檢測了，最后寫下了報(bào)告第一次探測的論文。到那一刻，答案才最終揭曉：這個(gè)信號是一次盲注！這的確讓人有些失望，但是這也揭示了我們的準(zhǔn)備可謂萬事俱備，我們對探測器的理解足夠詳盡，所以可以自信地?cái)嘌运鼈儼搭A(yù)期運(yùn)行，一切正常。

如果不算盲注，對于初代LIGO的科學(xué)運(yùn)行，我們是否在期待任何探測結(jié)果呢？考慮到我們還沒有準(zhǔn)確地知道主要的事件源如何發(fā)生，或發(fā)生于何時(shí)、何地，最可能的回答是“不”。所以，初代LIGO沒有探測到任何源并不稀奇。但實(shí)際上，如果沒有初代LIGO，我們根本不可能看到高新激光干涉儀引力波天文臺（Advanced LIGO，簡稱aLIGO）的出現(xiàn)。如果你把初代LIGO看成是概念機(jī)和新技術(shù)測試的平臺，那么這個(gè)項(xiàng)目就是一個(gè)巨大的成功。

LIGO位于漢福德的激光和真空設(shè)備區(qū)域。圖片來源：https:// ligo.caltech.edu

9.對于升級后的aLIGO探測器，我們在期待著什么？

這是個(gè)好問題！我們可以計(jì)算出不同種類的引力波源的事件發(fā)生率，但是這個(gè)計(jì)算涉及一系列復(fù)雜的物理，所以這個(gè)預(yù)測是非常不確定的。盡管如此，我們盡量小心地考慮各種因素，對不同的假設(shè)計(jì)算了“現(xiàn)實(shí)”、“樂觀”、“悲觀”事件率。（這些計(jì)算的結(jié)果發(fā)表在了一篇2010年的論文上，詳見http://arxiv.org/ abs/1003.2480）。

以雙中子星并合為例，初代LIGO可以在15兆秒差距（一個(gè)秒差距對應(yīng)3.25光年，15兆秒差距約為50兆光年）的距離內(nèi)搜尋這種信號。初代LIGO沒看到任何信號，但這和我們對這些事件發(fā)生率的理解并不矛盾。另一方面，當(dāng)aLIGO達(dá)到其設(shè)計(jì)靈敏度的時(shí)候，它將可以探測到遠(yuǎn)至約200兆秒差距的雙中子星并合。在距離上十多倍的提升，對應(yīng)于空間體積上一千多倍的增加。因而，對于工作在最佳狀態(tài)的aLIGO而言，每年可以預(yù)期探測到0.4到400次雙中子星并合事件，最有可能的結(jié)果是約40次一年。

圖中表示了從初代LIGO到aLIGO，不斷擴(kuò)大的探索范圍。圖片來源：Caltech/ MIT/LIGO Lab

10.aLIGO探測器究竟有何不同？

aLIGO探測器在未來幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)靈敏度時(shí)，將比初代LIGO靈敏10倍，可以探測10的23次方分之一的時(shí)空拉伸，這一驚人的靈敏度將徹底重塑引力波天文學(xué)。

盡管aLIGO探測器在地理位置上與前輩同處一地，但是初代LIGO幾乎在各個(gè)方面都需要升級換代，方能實(shí)現(xiàn)如此高的靈敏性。這些升級具體包括：

把激光功率從初代LIGO的10瓦增加到200瓦。

使用更大、更重的熔融石英光學(xué)件，以實(shí)現(xiàn)對熱噪聲和輻射壓噪聲的降低。這兩種噪聲均會使鏡身產(chǎn)生很小的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。

用熔融石英纖維將光學(xué)器件懸掛，而非初代LIGO使用的鋼繩懸掛，這能減少懸掛導(dǎo)致的熱噪聲。

在懸掛系統(tǒng)中采用四級擺來提升光學(xué)器件的隔震。

使用“測量-抵消”策略來減小地面運(yùn)動(dòng)器件端的影響——我們把這種方法稱為“主動(dòng)”隔震。

aLIGO探測器把相關(guān)技術(shù)在關(guān)鍵領(lǐng)域中的研發(fā)成果引入實(shí)用。一批美國和全球的研究所引領(lǐng)了相關(guān)工作，加州理工和麻省理工（代表美國科學(xué)基金會和LIGO科學(xué)合作組織運(yùn)行儀器的機(jī)構(gòu)）繼續(xù)與國際合作者一起，提供著關(guān)鍵的研發(fā)、測試和整合。

aLIGO探測器的完成和它在2015年秋的科學(xué)運(yùn)行標(biāo)志著一項(xiàng)重大的科學(xué)與工程的成果，也標(biāo)志著激動(dòng)人心的引力波天文學(xué)時(shí)代的開啟！

關(guān)于aLIGO探測器的設(shè)計(jì)與建造詳情，可參閱LIGO雜志中的第一期（http://www.ligo.org/magazine/LIGO-magazine-issue-1. pdf）及第七期（http://www.ligo.org/magazine/LIGO-magazineissue-7.pdf）。

11.在LIGO設(shè)備研制過程中有什么衍生技術(shù)或者其他意外收獲嗎？

測量微小位移的技術(shù)對LIGO來說至關(guān)重要，這種技術(shù)可以用來探測引力波，當(dāng)然也有其他功用。以下簡單列舉了幾個(gè)衍生技術(shù)：

LIGO光學(xué)系統(tǒng)需要非常小的光路損耗，這一需求催生了測量光學(xué)損耗的技術(shù)，以及一家叫“標(biāo)準(zhǔn)光-熱方案”的公司（主營LIGO研制的儀器）。它主要的銷售對象是基本光學(xué)和家宅安保市場。

光波電子公司建造了初代LIGO使用的激光。它現(xiàn)在把這種激光及其升級版推向市場，在發(fā)光二極管、電腦芯片和智能手機(jī)電路板的制備中發(fā)揮著作用。

一個(gè)典型的引力波信號在振幅和相位上類似于一個(gè)鳥鳴。LIGO開發(fā)了可以非常有效地探測此類“鳥鳴”信號的電腦程序。類似的鳥鳴信號也出現(xiàn)在雷達(dá)、聲吶、激光脈沖和其他環(huán)境中，這些領(lǐng)域已開始使用LIGO的程序。

LIGO系統(tǒng)中的激光會加熱光學(xué)元件并使其變形，減弱其在測量位置變化上的精度。這一問題稱為熱透鏡，同樣的問題也困擾著其他精密光學(xué)測量。LIGO通過可控?zé)嵩磳︻~外引入的光學(xué)器件調(diào)溫來解決這一問題。這一技術(shù)現(xiàn)在應(yīng)用于使用大功率激光系統(tǒng)的諸多領(lǐng)域：激光雷達(dá)、焊接、切割、鉆孔等。

更多詳情可以參閱https://advancedligo.mit.edu/。

12.有什么東西對引力波來說是不透明的？

光學(xué)上，不透明的材料會吸收光子的能量。就原理而言，這是因?yàn)椴牧现邪猓ɑ蛘哒f電磁場）作用下自由運(yùn)動(dòng)的電荷，它們的運(yùn)動(dòng)會吸收光的能量。材料中電荷的數(shù)量太多時(shí)，用于傳遞光能量的光子就會遇到它們并被吸收。

那么，這又如何對應(yīng)到引力波呢？它是否也攜帶著可以被吸收的能量？是的。

引力可以把能量存放在何處呢？答案就是物質(zhì)。

如果物質(zhì)自由漂浮，它就不會吸收引力波的能量，因此我們還需要把一個(gè)耗散力加到這個(gè)物質(zhì)上。所以，如果我們有一個(gè)帶有耗散力的物質(zhì)可以吸收能量，它對引力波就是不透明的。那如果我們把足夠多的這類物質(zhì)聚集在一起，是否就可以把大部分引力都吸收了呢？實(shí)際上這非常困難：引力波和物質(zhì)相互作用太弱了，所以任何一個(gè)引力子經(jīng)過任何一個(gè)物質(zhì)時(shí)被吸收的能量都是非常微小的。簡而言之，理論上可行，實(shí)踐上不靠譜。

13.引力波能告訴我們關(guān)于早期宇宙的什么信息？

對于極早期宇宙，引力波為我們提供了一個(gè)獨(dú)特的視角，因?yàn)樗梢浴翱赐浮庇钪嫖⒉ū尘拜椛?。你也許曾經(jīng)看過那種微波背景輻射的示意圖，它告訴我們在大爆炸38萬年之后的宇宙是怎樣的。在這之前，宇宙中充斥著炙熱的離子氣體（電子和原子核互相分離，自由電子隨處飄蕩），所以光子會被這些自由電子激烈地散射，就好像在霧天里一樣，所以我們對于光子源頭的信息不甚明了。宇宙誕生后不斷膨脹，不斷冷卻，在大約38萬年之后，溫度降低以致氣體不再支持其離子態(tài)：自由電子和質(zhì)子結(jié)合形成電中性的氫原子（我們稱之為復(fù)合），它就再也不能有效地散射光子了——換句話說，霧散了！對我們而言，這標(biāo)志著一個(gè)新的時(shí)代：來自早期宇宙的光子可以直接自由地飛向我們，極少被散射，所以可以攜帶源頭的信息。

另一方面，引力輻射并不在乎復(fù)合階段，因?yàn)闅怏w中的原子和分子，不管是否處在電離態(tài)，對引力波而言都沒什么影響。這意味著復(fù)合之前的引力波依然可以不受影響地自由飛向我們，由此告訴我們更多關(guān)于極早期宇宙的歷史。LIGO探測器對于這一類原初引力波并不十分敏感，但是我們可以通過別的方法搜尋它們的印記——比如說，通過觀測宇宙微波背景輻射的偏振光。

圖片來源：http://www.ligo.org

14.引力波能告訴我們暗物質(zhì)或者暗能量的信息嗎？

圖片來源：http://www.ligo.org

暗物質(zhì)和暗能量對于宇宙的膨脹歷史扮演著至關(guān)重要的角色（事實(shí)上，我們認(rèn)為暗能量讓宇宙加速膨脹！），并且還影響著星系和星系團(tuán)的形成。但是我們并不認(rèn)為暗物質(zhì)會聚集成團(tuán)，并釋放出LIGO可以探測到的引力波。

然而，天文學(xué)家們希望在將來能使用致密雙星并合之類的源，用一種完全獨(dú)立于當(dāng)前工具（宇宙微波背景輻射和遙遠(yuǎn)的超新星）的方法測繪宇宙的圖景。所以，未來的引力波觀測或許可以幫我們更好地理解暗物質(zhì)和暗能量對于宇宙膨脹所起的作用。

（責(zé)任編輯 馮）