聽，天體的聲音

瞿立建

假如一個年輕人，他覺得自己一生的目的就是要做革命性的發(fā)展的話，他應(yīng)該去學(xué)習(xí)天文物理學(xué)。

——楊振寧

2019年8月14日，人類再次探測到引力波。

對引力波的直接觀測開始于4年前，截至今天的每一次發(fā)現(xiàn)，都是新穎的，都是令人興奮的新聞，至少值得科學(xué)家興奮。以前探測到的引力波要么來自兩個黑洞的并合，要么來自兩個中子星的并合，但2019年8月14日這次不一樣，這次引力波來自一個黑洞和一個中子星的并合。這三種引力波事件，構(gòu)成了一種新型的觀測天文學(xué)——引力波天文學(xué)。

觀測天體新手段

2016年，我們歡度春節(jié)的時候，地球另一邊的美國發(fā)布了一條重磅新聞——人類首次直接探測到引力波。這次的引力波事件是在2015年9月14日探測到的，來自兩個黑洞的并合。

這是物理學(xué)上的大事件！這也是天文學(xué)上的大事件，但沒有為天文觀測帶來展現(xiàn)身手的機(jī)會。黑洞劇烈并合輻射引力波，但是黑洞不發(fā)光，這讓全世界的望遠(yuǎn)鏡干瞪眼。引力波盛宴，只是引力波探測裝置的獨(dú)食。

2017年10月16日，3位科學(xué)家因引力波獲得諾貝爾獎之后十余天，美國正式宣告了第6次引力波事件。這次事件不同于以前公布的5次引力波事件，之前的5次都來自兩個黑洞的并合，而這次的信號則來自兩個中子星的并合。這次事件中輻射出各波段的電磁波，給了全球和太空中70多座望遠(yuǎn)鏡大顯身手的機(jī)會。我國的南極巡天望遠(yuǎn)鏡AST3-2、第一顆空間X射線天文衛(wèi)星“慧眼”望遠(yuǎn)鏡也都參與其中。

就這次引力波事件刊發(fā)的論文，最后署名作者近4000人，署名單位超過900家。新聞發(fā)布會當(dāng)天，相關(guān)論文噴涌而出，包括近100篇預(yù)印本文章，8篇Science，6篇Nature，《天體物理雜志快報(bào)》（TheAstrophysicalJournalLetters）則出了一期?？l(fā)表了32篇相關(guān)論文。大家都有肉吃，這才是盛宴該有的樣子。

這便是引力波天文學(xué)的開山之作。

這次引力波事件于2017年8月17日被美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）與歐洲的室女座引力波探測器（Virgo）檢測到。信號特征顯示，這次接收到的是一個全新的引力波——以前檢測到的引力波持續(xù)時間最長也就一兩秒鐘，這次持續(xù)了約100秒。而且，這次引力波的能量明顯更低。種種跡象顯示，這次引力波并不像以前的引力波一樣源自黑洞并合，它很可能來自中子星并合。

這個全新的引力波信號被接收到約1.7秒后，兩家空間望遠(yuǎn)竟一NASA的費(fèi)米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡和歐洲宇航局的國際伽馬射線天體物理實(shí)驗(yàn)室，便相繼探測到同一個伽馬射線暴，持續(xù)時間約兩秒。

引力波和伽馬射線暴，二者在時間和空間上一致，應(yīng)具有相關(guān)性。全球的天文學(xué)家們聞風(fēng)而動，世界各地的望遠(yuǎn)鏡開始了忙碌的觀測，各波段的望遠(yuǎn)鏡都得以大顯身手。綜合各種觀測數(shù)據(jù)，最終確認(rèn)，這次引力波事件源自距離地球1.3億光年處的兩個中子星的碰撞和并合。也就是說，這個事件發(fā)生在1.3億年前，當(dāng)時統(tǒng)治地球的還是恐龍。

這兩顆中子星的碰撞成了天文學(xué)家的金礦，不僅是修辭意義上的金礦，還是字面意義上的金礦。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這兩顆中子星的并合生成了金、鉑（俗稱白金）等重元素，這是“重元素形成于中子星并合”這一假說的第一個堅(jiān)實(shí)證據(jù)。

這是全球天文學(xué)家的完美合作，是多種天文觀測手段的完美合作，是所謂“多信使天文學(xué)”的重大突破。這里的信使是指天文觀測的信號，以往有電磁波、中微子、宇宙射線，現(xiàn)在引功波成為這個列表的新成員。

2017年的引力波事件中，多信使天文學(xué)讓人欣賞到了兩顆中子星共舞的終曲，而2019年的引力波事件，則給天文學(xué)家?guī)硪粋€一窺中子星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的機(jī)會。

中子星內(nèi)部是什么樣的？沒有人知道?？茖W(xué)家猜想，中子星內(nèi)部是一鍋面食——緊挨著殼層是球形的原子核，像面疙瘩;再往里，壓強(qiáng)增大，面疙瘩被壓成長管狀結(jié)構(gòu)，像意大利面;再往中子星內(nèi)部，面條也被壓扁，成了千層面一樣的結(jié)構(gòu)。這就是中子星結(jié)構(gòu)的主流理論，如果這個理論出自陜西科學(xué)家之手，以上結(jié)構(gòu)或許會被稱為麻食、手搟面和肉夾饃。不過中子星面食我們可吃不動，它比鋼還要硬100億倍。想要檢驗(yàn)中子星內(nèi)部是不是鍋面食，我們不可能在地球上做一個中子星出來細(xì)細(xì)研究。那該怎么辦呢？

黑洞和中子星并合發(fā)出的引力波，為我們檢驗(yàn)中子星面食理論帶來了可能。中子星可能會被扭曲，這種扭曲會體現(xiàn)在引力波信號中。分析引力波信號，就能推斷出中子星面食理論的合理程度。

中子星和黑洞之間三種并合方式輻射的引力波都已經(jīng)被檢測到，這極大地豐富了天文學(xué)家對天體的理解和認(rèn)識。不過，天文學(xué)家翹首以盼的第四種可能的引力波還沒有被檢測到，那就是超新星爆發(fā)所產(chǎn)生的引力波。

超新星是某些恒星在壽命接近終結(jié)時經(jīng)歷的一種劇烈爆炸。

超新星所產(chǎn)生的引力波比較弱，但如果發(fā)生在銀河系內(nèi)，還是有可能被檢測到的。電磁波天文學(xué)和中微子天文學(xué)只能讓天文學(xué)家了解恒星爆炸初始階段的樣子，且主要是靜態(tài)的信息，而引力波信號可以向天文學(xué)家呈現(xiàn)的則是恒星爆炸全過程錄像。

觀測天體，引力波天文學(xué)一出山就立下大功，未來更是值得期待。

理論發(fā)展新機(jī)遇

引力波是愛因斯坦廣義相對論的光輝預(yù)言，引力波被直接檢測到是廣義相對論的巨大成功。那廣義相對論就是關(guān)于宇宙天體的終極理論嗎？并不是。

廣義相對論與物理學(xué)中另一個極為成功的理論——量子理論有著尖銳的矛盾。量子理論是關(guān)于原子和亞原子的理論。廣義相對論里，世界是彎曲時空，所有東西都是連續(xù)的，而在量子理論，世界是不連續(xù)的能量量子躍動的平直空間。這難免會讓人覺得物理學(xué)家精神分裂。

如何使二者相容？這是物理正面臨的最深奧的問題之一。

一種方式就是像愛因斯坦建立相對論一樣，苦心孤詣地推導(dǎo)演算，矢志提出一種理論，以調(diào)和廣義相對論與量子力學(xué)。在這種情況下，很多理論應(yīng)運(yùn)而生，如弦論、圈量子引力理論等，數(shù)量不下30種。但這種“愛因斯坦式”的純理論推導(dǎo)并不是物理學(xué)家傳統(tǒng)的工作方式。傳統(tǒng)上，研究問題要從物理現(xiàn)象、物理事實(shí)出發(fā)，如上個世紀(jì)之交量子理論的誕生。

能不能從物理現(xiàn)象中尋找到啟發(fā)，由此探索能將廣義相對論與量子力學(xué)相容的新理論？物理學(xué)家也想，但是做不到，這要求我們回望宇宙誕生初期，而目前人類靠電磁波只能追溯到宇宙誕生38萬年后的世界，所以想通過電磁信號洞察宇宙誕生初期的樣子，根本沒戲。

靠電磁波信號追溯宇宙誕生初期的樣子是不可能，但引力波天文學(xué)有望改變這一狀況。宇宙大爆炸后宇宙暴脹階段也會產(chǎn)生引力波，這叫作原初引力波。原初引力波演化到今天已經(jīng)很弱了，但還是可以想辦法測量出來。引力波是廣義相對論現(xiàn)象，宇宙暴脹是量子現(xiàn)象，原初引力波可以將二者聯(lián)系起來，一旦檢測出原初引力波的樣子，就有可能推斷出宇宙創(chuàng)生歷程中的一些信息，尤其是推斷出引力是如何出現(xiàn)的，進(jìn)而就有線索找到統(tǒng)一相對論與量子論的理論。

甚至更進(jìn)一步，隨著原初引力波往宇宙起點(diǎn)追溯，洞察出宇宙四種基本作用力（即強(qiáng)核力、弱核力、電磁力和引力）如何融合為一種基本作用力，這就有可能指引物理學(xué)家找到大統(tǒng)一理論，完成愛因斯坦的未竟之夢。

天文技術(shù)新跨越

要使引力波天文學(xué)發(fā)揮以上提到的威力，需要營建更尖端的引力波觀測設(shè)施。很多設(shè)施已經(jīng)在推進(jìn)中。

目前正在工作的引力波探測裝置有3個，其中兩個是屬于美國的激光干涉引力波探測器（LIGO），另一個是屬于歐洲的室女座引力波探測器（Virgo）。LIGO將在未來幾年內(nèi)再次升級改造，將靈敏度再提高一倍。

不過，LIGO和Virgo繼續(xù)改進(jìn)的空間很有限了，下一代更大更精密的引力波探測器已經(jīng)在建設(shè)和計(jì)劃中了。

2019年末投入運(yùn)行的日本神岡引力波探測器（KAGRA），是世界上第一個位于地下的引力波探測器，屏蔽噪音和振動的能力空前提高，這個裝置另一改進(jìn)之處在于，反射鏡置于超低溫條件下，可以進(jìn)一步增強(qiáng)靈敏度和信噪比。

歐洲正在建設(shè)世界上第一座位于太空中的引力波探測器——激光干涉空間天線（LISA），計(jì)劃在2034年發(fā)射升空。在太空探測引力波，可以徹底消除地面震動噪聲的干擾，便于探測低頻引力波。

中國大手筆推進(jìn)引力波研究，同時啟動三個大的項(xiàng)目：阿里計(jì)劃、天琴計(jì)劃和太極計(jì)劃，地面和太空兩路并進(jìn)。

引力波天文學(xué)已經(jīng)是一門成熟的天文學(xué)，在天體觀測方面，已經(jīng)小試牛刀，鋒芒畢露則需待將來世界各大引力波探測裝置投入運(yùn)行之后。引力波天文學(xué)或許會為提出超越廣義相對論的引力理論提供線索。

楊振寧曾說：“假如一個年輕人，他覺得自己一生的目的就是要做革命性的發(fā)展的話，他應(yīng)該去學(xué)習(xí)天文物理學(xué)?！爆F(xiàn)在，是不是可以更具體地說，學(xué)習(xí)引力波天文學(xué)。引力波天文學(xué)的建設(shè)，中國也適逢其會?？茖W(xué)盛事，中國不再缺席。

阿里計(jì)劃

中國地面引力波探測項(xiàng)目。全稱“阿里原初引力波探測實(shí)驗(yàn)”計(jì)劃，于2017年在海拔5250米的西藏阿里啟動建設(shè)，是全球海拔最高的原初引力波觀測站。阿里地區(qū)海拔高、大氣稀薄、水汽含量低，又處中緯度，觀測天區(qū)大，自然條件得天獨(dú)厚;同時具有較完整的基礎(chǔ)設(shè)施，是北半球最好的原初引力波觀測臺址。2018年11月，阿里原初引力波觀測站一期基建工程基本完工，將于2020年開始觀測。該項(xiàng)計(jì)劃的目標(biāo)是探測原初引力波，并希望給出一張北天區(qū)宇宙微波背景輻射極化最好的天圖。

天琴計(jì)劃

中國太空引力波探測項(xiàng)目。由中山大學(xué)發(fā)起，2015年正式啟動。該項(xiàng)目將向距地球10萬公里的軌道上發(fā)射3顆衛(wèi)星，圍繞地球組建邊長為17萬公里的等邊三角形衛(wèi)星陣列，像在太空中架了一把豎琴，宇宙中的引力波傳來，則會撥動“琴弦”，因此命名為“天琴計(jì)劃”。

太極計(jì)劃

中國太空引力波探測項(xiàng)目。由中國科學(xué)院實(shí)施，規(guī)劃在2033年前后發(fā)射由位于等邊三角形頂端的3顆衛(wèi)星組成的引力波探測星組，這一衛(wèi)星編隊(duì)將進(jìn)入距地球約5000萬公里的軌道繞日運(yùn)行，每顆衛(wèi)星間距300萬公里。