在星海里找尋時空漣漪

謝博

引力波，也許是您近期接觸的最有科技感，最神秘的一個詞匯了?！昂鋈缫灰勾猴L”，關于它的訊息在互聯(lián)網(wǎng)上百花盛開。這里我們想再拉高一下層次，跟您聊聊中國準備在太空中探測引力波的事情。

引力波是什么波

在我們的生活中常會聽到無線電波、電磁波、聲波、光波等詞，引力波也是波的一種。既然稱之為引力波，它必然與引力有關。

17世紀末的物理學家牛頓看到蘋果落下后，意識到物體之間普遍存在的一種力，稱之為引力，并且將其數(shù)學化，這就是眾所周知的萬有引力。萬有引力概念的精髓是物體質(zhì)量的存在導致了引力。

1915年愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論，提出了一種完全不同的對于引力的看法，預言引力是由于質(zhì)量對時空造成了變形所導致，而非質(zhì)量之間的吸引。引力波是時空自身的波動，無線電波（或者電磁波）僅僅是在時空之中傳播，時空是它的媒介。

根據(jù)廣義相對論，引力源于大質(zhì)量物體和可塑時空結構的相互作用，愛因斯坦預測加速運動的大質(zhì)量物體，如中子星或黑洞形成、超新星爆發(fā)、超大質(zhì)量黑洞碰撞等，會對時空結構產(chǎn)生擾動，從而產(chǎn)生在整個宇宙中傳播的引力波。因此引力波的本質(zhì)就是時空曲率的波動，也可以唯美地稱之為時空的“漣漪”。

換句話說就是，光波、電磁波等是時空結構中的某個物質(zhì)在運動，而引力波是時空結構本身在發(fā)生波動。或者說光波、電磁波就像房子里有人在走動，而引力波就如同房子自身在波動。

它來自什么地方

如果將時空視作海洋，那么天體就如同海洋生物一般?？梢韵胂?，如果大海中的某個生物搖了搖尾巴、或是晃了晃頭，海水由此所產(chǎn)生的波動就會向外傳播。與此類似，宇宙中某個天體的劇烈活動，會對所在的時空產(chǎn)生擾動，時空自身的波動也會向遠處傳播，如果足夠強，就能夠為地球上的人類所感知。

時空猶如一大片無限擴展的彈性網(wǎng)格，天體是在其上面滾動的小球，它們互相影響：時空網(wǎng)格的形狀因天體小球重量而彎曲，天體小球的運動軌跡又因時空網(wǎng)格的彎曲而改變。時空彎曲所產(chǎn)生的波動和變形并非永遠留在物體附近，有可能通過宇宙向外傳播，就像地震產(chǎn)生的地震波。不同于地震波的是，引力波可以以光速在空蕩蕩的空間中旅行穿梭。

宇宙中存在大量大質(zhì)量、高速運動的天體，它們提供了天然的引力波源。根據(jù)宇宙中天體運動性質(zhì)的不同，天體引力波源可分為爆發(fā)和連續(xù)兩大類。除此以外，宇宙中還存在大量頻譜相互重疊的引力波源構成的宇宙隨機背景引力輻射。在星辰大海中，天體撼動宇宙時空，產(chǎn)生的引力波以光速傳播，它與物質(zhì)的相互作用極弱，所以引力波可以給人類提供宇宙幾乎無阻擋的圖景，而電磁波卻不能。比如，利用引力波，人類可以看到宇宙的最早期，即宇宙大爆炸之后剛開始的宇宙形成過程，而電磁波只能提供宇宙大爆炸一段時間之后的宇宙信息。所以引力波是了解宇宙形成的最好工具，通過它能進一步探測和理解宇宙中的物理演化過程，為恒星、星系、乃至宇宙自身現(xiàn)有的演化模型提供新的證據(jù)。

從預言到探測用了100年

為什么從預言引力波到探測引力波相隔了100年之久？主要是相比較其它的幾種力（強力，弱力，電磁力），引力是最弱的，相應的引力波效應也就很弱。引力波是時空的自身變形，在一個方向上被拉伸，在其垂直的另外一個方向上就會被壓縮。人類被同樣的雙黑洞系統(tǒng)在合并時所產(chǎn)生的引力波所擊中的話，也會經(jīng)歷一個稍微變高變瘦，然后變胖變矮一些的過程，但導致的變化大約只有一個氫原子的500億分之一。

由于引力波的效應極小，所以探測它時一方面要增加測量臂的長度，來增強變化的效應，另外一方面要通過巧妙的方法來探測到微小的變化。因為在波速不變的情況下，波長與頻率成反比。而測量臂長越長，對越長的波長更敏感，即對更低的頻率更敏感。美國激光干涉引力波天文臺在建造之初就考慮到這一特性。

該天文臺是在美國路易斯安那州的漢福德和華盛頓州的列文斯頓這兩個相距數(shù)千千米的地方各建造了1個一模一樣的激光干涉引力波探測器，利用邁克爾遜（Michelson）干涉儀原理測量引力波。每個探測器都擁有邊長均為4千米且互成直角的L形測量臂。每邊測量臂內(nèi)是高度真空的管子，測量臂兩端各有大約直徑34厘米、重達40千克的反射鏡面。探測器所配激光器發(fā)出的激光經(jīng)分光鏡后分成相互垂直的兩束激光沿著L形測量臂前進，然后被臂端的反射鏡反射回來，由光電接收器記錄兩束反射光的相位差變化，如果其干涉條紋發(fā)生了變化，就說明探測到了引力波。一般情況下，在沒有引力波通過測量臂時，兩束反射光的相位差為零，即激光由于干涉而互相抵消，探測器接收不到激光信號；但當有引力波經(jīng)過測量臂時，便會改變激光通過的距離，兩臂長度隨時空發(fā)生變化，兩束反射光的相位差越大，光電接收器的輸出越強，從而能探測到引力波。

這相當于從太陽到半人馬座阿爾法星（距離太陽最近的恒星）的尺度上測量一根頭發(fā)絲的粗細變化。之所以在2個相距較遠的州建造2個孿生引力波探測器是為了最大限度地排除地面干擾，比如交通或地震產(chǎn)生的干擾，從而彼此進行相關驗證，排除偶然因素導致的誤判。

2015年9月14日，美國激光干涉天文臺的這對引力波探測器終于同時探測到了距離地球13億光年之外的一個遙遠星系中兩個黑洞產(chǎn)生了非常強烈的時空振蕩，即引力波。人類首次開始聽到宇宙的聲音。其實，這次引力波所造成的變化也是極其微小的，在4千米測量臂內(nèi)也僅僅只變化了一個氫原子直徑的2500萬分之一。

這次探測到引力波的波源是遙遠宇宙空間之外的雙黑洞系統(tǒng)。其中一個黑洞36倍于太陽質(zhì)量，另一個29倍于太陽質(zhì)量，兩者碰撞并合成一個62倍太陽質(zhì)量的黑洞。36+29=65，但之所以不是65，是因為有3個太陽質(zhì)量的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成了巨大的能量釋放到太空中，正因為有如此巨大的能量輻射，才使遠離這兩個黑洞的小小地球上的人類探測到了碰撞融合之后傳來的已經(jīng)變得很微弱的引力波。

得天獨厚有優(yōu)勢

從21世紀初起，美國、意大利、法國和日本等多個國家都建立了千米級的地面激光干涉儀引力波探測設施。然而，由于引力波非常微弱，所以迄今為止，只有美國這次率先直接探測到引力波，也許單純因為美國引力波探測器的臂長最長。

其實，地面引力波探測設施會受到地面震動噪聲、熱噪聲、引力梯度噪聲等噪聲的影響，探測器的臂長也非常有限，因此如果要探測更為微弱的低頻引力波（頻率為10^-4～10^-1赫茲），最佳辦法是把干涉儀放到太空上進行探測。

中低頻引力波源主要來源于中等質(zhì)量的致密雙星（黑洞、中子星、白矮星）和宇宙大爆炸早期產(chǎn)生的引力波。近些年來基于地面的引力波探測實驗裝置，受空間距離的限制和地球重力梯度噪聲的影響，無法探測低于10赫茲的中低頻引力波，使其研究目標變得較為有限。為此，一些國家的科學家正在加緊開展在太空探測引力波的研究計劃。在太空中沒有地球噪聲干擾，人們可以去探測更寬頻率的引力波，及其背后所蘊含的重大科學問題，用空間激光干涉法測量中低頻引力波將是天文學和空間宇宙物理最前沿的課題。

引力波的頻率很寬，就好像交響樂，宇宙之音也分低音、中音、中高音和高音。美國激光干涉天文臺等地面引力波探測器是探測宇宙樂章的高音，而歐洲航天局的激光干涉儀空間天線（USA）計劃和我國的空間太極計劃、天琴計劃等將探測宇宙樂章的中高音。

歐洲派出探路者

由于在太空探測引力波具有明顯的優(yōu)勢，所以一些國家紛紛制定了在太空探測引力波的計劃，有的已開始實施。

1993年，歐洲航天局（ESA）首先提出了LISA計劃，擬在太空探測中低頻波段（10^-4～10^-2赫茲）的引力波。原計劃與美國合作于2034年左右發(fā)射由3顆各相距500萬千米，裝有激光發(fā)射和接受裝置的相同衛(wèi)星組成一個等邊三角形，進行空間引力波探測。衛(wèi)星之間通過激光束鏈接。衛(wèi)星之間的距離即為干涉儀的測量臂長，它決定了可測量的頻率范圍。精心選擇臂長可以保證觀測到大多數(shù)感興趣的引力波輻射源。這3顆運行在日心軌道衛(wèi)星可構成一個巨型邁克爾遜干涉測量儀，能通過激光測量儀測量航天器之間距離的微小變化，從而進行引力波的探測。

后由于經(jīng)費和計劃變更等原因，美國于2011年退出了合作。于是歐洲科學家又提出了將LISA中3顆一樣的衛(wèi)星改為一顆母星帶兩顆伺服子星的修改版LISA（即eLISA）計劃，其測試臂長100萬千米。為此，歐洲在2015年12月3日先發(fā)射了1個用于驗證LISA關鍵技術的航天器，它叫“LISA探路者”（USA-Pathfinder）。

該航天器并不能直接探測引力波，因為對于相距1米的兩個物體而言，低頻引力波只能引起物體10^-24～10^-21。米的位移，這比原子核的大小（10^-15米）還要小幾個數(shù)量級?！癓ISA探路者”上的兩個檢測質(zhì)量塊距離僅為0.35米，所以無法測量到低頻引力波引起的位移。但在未來的LISA引力波探測任務中，檢測質(zhì)量塊之間的距離，即空間干涉儀的測量臂長將達到500萬千米，那時可以測量到低頻引力波引起的位移。

中國要上天彈“琴”

2015年7月份，我國探測引力波的天琴計劃在中山大學正式啟動，預計投資約150億元人民幣。該計劃將像歐洲的LISA一樣，采用3顆全同的衛(wèi)星構成一個等邊三角形陣列。衛(wèi)星采用高精度無拖曳控制技術，以抑制太陽風、太陽光壓等外部干擾。衛(wèi)星之間用激光精確測量由引力波造成的距離變化。

每顆衛(wèi)星內(nèi)部都包含一個或兩個極其小心懸浮起來的檢驗質(zhì)量塊。衛(wèi)星實時控制姿態(tài)，使得檢驗質(zhì)量塊始塊終保持與周圍的保護容器互不接觸的狀態(tài)。與LISA或eLISA不同的是，天琴計劃的衛(wèi)星將在以地球為中心、高度約10萬千米的軌道上運行，針對確定的引力波源進行探測。這樣的選擇能夠避免測到引力波信號卻無法確定引力波源的問題，而且有望幫助節(jié)約大量衛(wèi)星發(fā)射方面成本。

為了滿足“天琴”衛(wèi)星對入軌精度的要求，將先完成月球和深空衛(wèi)星激光測距技術，幫助實現(xiàn)對天琴衛(wèi)星毫米級的定軌精度；然后發(fā)射1顆衛(wèi)星到約700千米高的軌道來進行空間等效原理檢驗實驗；接著，發(fā)射2顆衛(wèi)星到400千米高的軌道，借助激光測距對全球重力場進行高精度測繪；最后，發(fā)射3顆星進行空間引力波探測實驗，探測引力波，但預計要到2030年前后了。

天琴計劃能嚴格驗證愛因斯坦理論。按照愛因斯坦理論，引力波是按照光速運動，美國激光干涉引力波天文臺就是假定引力波以光速到達地球、但是到底是不是真的以光速到達地球呢，用天琴衛(wèi)星可以檢驗。因為天琴衛(wèi)星可以用光學手段看到雙星系統(tǒng)目標對象。由于天琴衛(wèi)星可探測低頻段的引力波，因此能探測到比美國激光干涉引力波天文臺更大質(zhì)量的黑洞，即探測到相當于幾萬個太陽質(zhì)量以上的黑洞。中國的空間太極

就在美國探測到引力波后不久，2016年2月16日，中國科學院公布了其空間太極計劃。它有兩個方案。方案一是參加歐洲航天局的eLISA雙邊合作計劃。空間太極計劃涉及學科領域和前端技術廣泛，需要許多先進技術。例如，穩(wěn)頻和鎖相的大功率激光器和激光干涉系統(tǒng)，用無拖曳技術控制的高精度光學平臺，測量超低重力水平的慣性傳感器，控制各種噪聲以分辨出引力波引起的微小距離的變化（10^-12米）。目前，我國的技術能力與國際先進水平還有一定的差距，所以通過良好的國際合作可以得到一定的彌補。

方案二就是在2030年獨立發(fā)射3顆衛(wèi)星組成的引力波探測衛(wèi)星組，與2034年左右發(fā)射的eLISA衛(wèi)星組同時邀游太空，探測中低頻引力波。屆時，中國衛(wèi)星組與eLISA衛(wèi)星組同時在空間獨立進行引力波探測，互相補充和檢驗測量結果。位于等邊三角形頂端的這3顆衛(wèi)星之間的距離為300萬千米（臂長），激光功率約2瓦，望遠鏡口徑約0.5米。其技術指標在總體上優(yōu)于歐洲LISA的要求。其主要科學目標是探測雙黑洞并合和極大質(zhì)量比天體并合時產(chǎn)生的引力波輻射，以及其它的宇宙引力波輻射過程。

責任編輯：武瑾媛