引力波天文學(xué)的新浪潮

編譯 喬琦

2015年，人類首次探測到了黑洞碰撞產(chǎn)生的時空漣漪。現(xiàn)在，天體物理學(xué)家把搜尋目光轉(zhuǎn)向了大爆炸本身產(chǎn)生的波。

2015年，人類首次探測到了黑洞碰撞產(chǎn)生的時空漣漪?，F(xiàn)在，天體物理學(xué)家把搜尋目光轉(zhuǎn)向了大爆炸本身產(chǎn)生的波。

Lisa探測器藝術(shù)家想象圖。Lisa探測器是目前正在籌備中的空間引力波天文臺，共由3個部分組成，各部分相距數(shù)百萬千米，通過激光互相傳遞信號。圖中展示的是其中一部分

科學(xué)家認(rèn)為，大約在大爆炸開始之后一百億億億億分之一秒時，宇宙經(jīng)歷了一段雖然短暫但非常劇烈的快速膨脹時期。這一現(xiàn)在被稱為“暴脹”的事件，實在是太過猛烈，以致空間與時間的結(jié)構(gòu)都產(chǎn)生了劇烈震動，同時釋放出引力波。與之相比，6 年前，人類探測到的引力波雖然引發(fā)了轟動，但其源頭——黑洞碰撞事件只能算是小巫見大巫。不過，現(xiàn)在，歐洲空間局的科學(xué)家已經(jīng)把目光投向更宏大的目標(biāo)。他們期望，不久之后就能使用人類歷史上最大的探測器，在暴脹發(fā)生近140 億年后，探測到發(fā)生在宇宙嬰兒時期的這一事件的微弱回響。歐洲空間局目前正在規(guī)劃的這座引力波天文臺，在空間中的跨度千百倍于地球。這座天文臺在正式投入使用之后，會漂浮在空間中，搜尋各種由劇烈天體物理學(xué)震動事件產(chǎn)生的時空晃動，也即引力波。

人類認(rèn)證的第一個引力波事件是由激光干涉引力波天文臺（LIGO）在2015 年發(fā)現(xiàn)的。這一國際項目的3 位主要成員也憑借這一發(fā)現(xiàn)獲得了2017年諾貝爾物理學(xué)獎。LIGO 由兩部分別位于美國華盛頓州和路易斯安那州的巨型探測器組成。每部探測器都使用了兩條長2.5 英里（4 千米）且互成直角的隧道，也就是探測器的雙臂。激光會沿著隧道一路傳播，在碰到盡頭的鏡子后反彈回來。雙臂反彈后產(chǎn)生的光波會互相干涉。引力波經(jīng)過時，會非常輕微地讓時空收縮或伸展。由于這一現(xiàn)象對探測器雙臂的影響有差異，光波的同步性就會發(fā)生變化，它們的干涉結(jié)果也會隨之改變。

LIGO 并不孤單。位于意大利的室女座干涉儀（Virgo）在2015 年圣誕節(jié)探測到第二個引力波事件，并且隨后得到聯(lián)合認(rèn)證。2020 年早些時候，日本的“神岡”引力波探測器也已經(jīng)開始工作。印度和中國也計劃建造類似的引力波探測器。

到目前為止，我們探測到的大部分引力波事件都是由兩黑洞碰撞引起的。而黑洞的前身則是那些質(zhì)量比我們的太陽大上許多倍的恒星。它們在把所有“燃料”燒光后，便在自身引力的作用下坍縮，最后形成黑洞。按照愛因斯坦的廣義相對論——引力是質(zhì)量引起的時空扭曲——坍縮會不斷持續(xù)下去，直到再也沒有留下任何東西，只剩下一個密度幾乎是無窮大的“奇點”為止。奇點會產(chǎn)生無比強(qiáng)大的引力場，連光都無法逃脫。

兩個黑洞發(fā)生了碰撞——這一事件由激光干涉引力波天文臺（LIGO）率先探測到——上圖展示的是計算機(jī)模擬產(chǎn)生的靜態(tài)照片

位于弗吉尼亞的美國國家射電天文臺格林班克望遠(yuǎn)鏡（GBT）也是納赫茲引力波天文臺項目的一部分

如果兩個黑洞都進(jìn)入對方的引力范圍，那么它們就會相互繞轉(zhuǎn)，同時逐漸靠近，最后合并到一起。早在一個多世紀(jì)之前，廣義相對論就預(yù)言，這類事件會釋放出向整個宇宙蕩漾開去的引力波。不過，在LIGO 探測到引力波之前，人們始終沒有找到引力波存在的直接證據(jù)。其他極端天體物理學(xué)事件也會產(chǎn)生引力波，比如中子星合并。中子星的前身，就是一些質(zhì)量同樣很大但小于黑洞的恒星。它們在燒光燃料后也發(fā)生了坍縮。與黑洞不同的是，它們的坍縮更早停止。最終留下的這個天體密度非常高，一小點物質(zhì)就相當(dāng)于5 000萬頭大象的質(zhì)量，這就是中子星。

引力波也可以由龐大得多的天體產(chǎn)生。在我們銀河系的中心，以及其他許多星系的中心，都隱匿著一個超大質(zhì)量黑洞。這種天體的質(zhì)量是我們太陽的幾百萬倍，由恒星、宇宙氣體和塵埃云坍縮形成。物體以螺旋形式掉入這些超大質(zhì)量黑洞時也會產(chǎn)生引力波，只不過，相比LIGO 和Virgo 探測到的那些小黑洞合并產(chǎn)生的引力波，前者的頻率更低、波長更長。

地面上的探測器不可能探測到超大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生的引力波——這就像是想在龍蝦鍋里抓到鯨一樣。要想探測到這類引力波，干涉探測器就需要很長很長的臂，比LIGO 和Virgo 的要長得多得多。這個問題很棘手，因為每條臂不僅要很長，而且還要臂內(nèi)的隧道筆直、空曠、完全沒有振動，這在地球上很難實現(xiàn)。于是，研究者就轉(zhuǎn)而計劃在空間建造低頻引力波探測器。其中最先進(jìn)的當(dāng)屬歐洲空間局現(xiàn)在正在打造的激光干涉空間天線（Lisa）。

Lisa 由3 個航天器構(gòu)成，每個航天器能都發(fā)出激光束，并且內(nèi)部都設(shè)有一面可以自由漂浮的鏡子。激光束在打到另兩個航天器內(nèi)的鏡子時就會反彈回來，這樣就得到一種類似LIGO 的L 型雙臂結(jié)構(gòu)。不過，Lisa的雙臂并不一定呈直角，相反，它的3 個航天器構(gòu)成了一個三角形，3 個航天器就是三角形的三個頂點，互相之間相距數(shù)百萬英里。整個陣列沿地球軌道運(yùn)行，且與地球保持大約3 000萬英里的距離。

2015 年，為了測試在空間中形成激光干涉的可行性，歐洲空間局發(fā)射了名為“激光干涉空間天線開路者”的先鋒探測器——這部航天器會在空間進(jìn)行小規(guī)模測試。2017 年，這項任務(wù)順利完成。負(fù)責(zé)這項任務(wù)的項目科學(xué)家、歐洲空間局保羅?麥克納馬拉（Paul McNamara）說：“令我們大吃一驚，‘開路者’號運(yùn)行第一天就達(dá)到我們的要求，沒有任何調(diào)整，什么都沒做。”這項任務(wù)證明，懸浮在航天器中的鏡子可以不可思議地穩(wěn)定，晃動不超過一個原子大小的千分之一。為了保持鏡子穩(wěn)定，航天器會自主產(chǎn)生一點點推力以抵消太陽光對鏡子產(chǎn)生的力。

麥克納馬拉表示：“換句話說，我們的航天器在空間會比新冠病毒大小的東西在地球上還要穩(wěn)定?！边@種高度穩(wěn)定性正是Lisa 需要的，因為它的探測目標(biāo)是低頻引力波引起的極微小臂長變化——具體來說，就是100 萬英里的長度上出現(xiàn)了大約一個原子直徑1/10 的變化。

不過，Lisa 正式升空至少在10 年之后。麥克納馬拉說：“我們要打造3部航天器，每一部都要搭載很多儀器；耗時會很長——這是在實施非常復(fù)雜的項目時必須要面對的不幸事實之一?！盠isa 項目的下一個里程碑應(yīng)該是官方的“項目實施”，預(yù)計在2024 年。“屆時，我們就會知道任務(wù)的具體細(xì)節(jié)，其中包括歐洲空間局參與這個項目的成員國、美國在項目中的作用以及項目預(yù)算?！奔s翰霍普金斯大學(xué)天體物理學(xué)家埃馬努埃萊?貝蒂（Emanuele Berti）說。

中國和日本正處于籌備類似的空間引力波探測器項目的起步階段。麥克納馬拉并不認(rèn)為這是一種競爭，而是一件好事——因為有了多部探測器之后，就可能憑借三角視差法精確定位引力波的源頭。

貝蒂說：“Lisa 會讓引力波天文學(xué)發(fā)生翻天覆地的變化，就像探測范圍超越可見光（射電波、X 射線等）徹底改變了普通天文學(xué)一樣；它能找出各種引力波源頭?！彼€表示，通過研究超大質(zhì)量黑洞合并現(xiàn)象，“我們希望了解更多有關(guān)宇宙結(jié)構(gòu)形成以及引力本身方面的知識”。此外，如果Lisa 真的探測到宇宙在大爆炸之初暴脹時期產(chǎn)生的“原初”引力波，那就可以檢驗各種有關(guān)萬物之始的理論。

或許還有其他方法能夠探測到低頻引力波，而且這個方法甚至不需要專門建造探測器。一個名叫“北美納赫茲引力波天文臺”的合作項目正在利用全球射電望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)的觀測結(jié)果尋找引力波對“宇宙時鐘”脈沖星計時效果的影響。

脈沖星是快速自轉(zhuǎn)的中子星，兩極會釋放出高密度射電波。這些射電波像燈塔發(fā)出的光束一樣掃過整個天空。脈沖星釋放的這類信號非常有規(guī)律和可預(yù)測。但是，田納西范德比爾特大學(xué)的納赫茲引力波天文臺項目成員斯蒂芬?泰勒（Stephen Taylor）說：“如果脈沖星與地球之間有引力波經(jīng)過，那么脈沖星與地球之間的時空就會變形，導(dǎo)致脈沖星釋放的脈沖抵達(dá)地球的時間提前或推遲?！?/p>

從效果上說，脈沖星自身就是探測器?？屏_拉多大學(xué)博爾德分校的納赫茲引力波天文臺項目成員朱利?科莫福德（Julie Comerford）說，這部“探測器”的臂長就是脈沖星與地球間的距離：可以長達(dá)成千上萬光年。由于空間跨度極大，納赫茲引力波天文臺探測到的信號波長很長，頻率很低，甚至超過了Lisa的探測范圍以及質(zhì)量數(shù)十億倍于太陽的特大質(zhì)量黑洞所在星系碰撞、合并時釋放的引力波。泰勒表示，這是其他任何探測器都無法企及的領(lǐng)域。雖然特大質(zhì)量黑洞所在星系的碰撞、合并事件無疑是不可想象的災(zāi)難，但實際上，這類事件在宇宙中相當(dāng)常見，而納赫茲引力波天文臺就能探測到這類事件產(chǎn)生的某種躁動?？颇５抡f：“整個宇宙中，有很多對互相繞轉(zhuǎn)并釋放引力波的超大質(zhì)量黑洞，這些漣漪匯聚成引力波的海洋，我們在其中漂泊?！?/p>

2021 年1 月，科莫福德的博士后研究員約瑟夫?西蒙（Joseph Simon）在科羅拉多領(lǐng)導(dǎo)的納赫茲引力波天文臺團(tuán)隊率先報告，可能探測到了這種引力波背景。雖然仍需進(jìn)一步確認(rèn)他們探測到的信號確實由引力波引起，但科莫福德稱這一結(jié)果是“過去幾年中，我見過的最令人興奮的天體物理學(xué)發(fā)現(xiàn)”。

如果說，納赫茲引力波天文臺項目相當(dāng)于使用了一部大小以光年計的引力波探測器，那么倫敦大學(xué)學(xué)院物理學(xué)家索加托?博斯（Sougato Bose）認(rèn)為，我們也可以建造一個小到能塞到櫥柜里的探測器。他這個想法的基礎(chǔ)是量子理論的最古老效應(yīng)之一。我們可以讓量子物體進(jìn)入一種所謂的“疊加”狀態(tài)，即其特性在測量之前不確定，可能出現(xiàn)多種測量結(jié)果。

量子科學(xué)家可以慣常地將原子置于量子疊加態(tài)下。但對于像足球這樣的大型物體，疊加態(tài)這種奇怪的現(xiàn)象就消失了；無論我們有沒有觀察它，它都會在那里或這里。就我們目前所知，這么大的物體不是不可能進(jìn)入疊加態(tài)，而是它們維持疊加態(tài)的時間實在太短，完全無法探測到，因為物體與環(huán)境間的相互作用會輕易破壞疊加態(tài)。

博斯及其同事認(rèn)為，如果我們能讓大小介于原子和足球之間的物體（直徑大約100 納米左右，大致相當(dāng)于大型病毒粒子的微小晶體）進(jìn)入量子疊加態(tài)，那么由于這種狀態(tài)相當(dāng)不穩(wěn)定，對經(jīng)過的引力波會很敏感。實際上，量子疊加中的兩種可能狀態(tài)可以像兩道光波一樣發(fā)生干涉，引力波引起的時空扭曲會改變這類干涉效果。

倫敦大學(xué)學(xué)院物理學(xué)家索加托?博斯，他領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊計劃在實驗上實現(xiàn)量子引力

博斯認(rèn)為，將金剛石納米晶體存放在比外太空還空曠的真空中，然后再冷卻到接近絕對零度的溫度，就能讓它維持疊加態(tài)足夠長的時間，以完成上述目標(biāo)。這當(dāng)然不是輕而易舉的事，但博斯表示，所有技術(shù)挑戰(zhàn)都已經(jīng)單獨證明——這是把它們?nèi)计春系揭黄鸬膯栴}?！爸灰凶銐虻馁Y金支持，大約10 年后就能實現(xiàn)這個目標(biāo)，我看不到有什么明顯的障礙?！辈┧拐f。

如果這些或其他發(fā)展能夠讓引力波天文學(xué)迎來繁榮，我們會看到什么結(jié)果？“每當(dāng)我們打開一扇觀測宇宙的新窗戶，通常都會看到一些意料之外的現(xiàn)象?！丙溈思{馬拉說。除了觀測到我們已經(jīng)知曉會產(chǎn)生引力波的那類事件之外，我們還很有可能探測到一些無法輕易解釋的信號。麥克納馬拉說：“那個時候就是樂趣的起點?！?/p>