引力波天文學：聆聽宇宙的脈動

引力波天文學的誕生標志著人類觀測宇宙的方式發(fā)生了根本性的變化。過去，天文學家只能依賴可見光、X射線、無線電波等電磁波來觀測宇宙。比如光學望遠鏡可以捕捉星光，射電望遠鏡可以捕捉無線電波。但宇宙中有些現(xiàn)象，如黑洞并合、中子星碰撞等，難以通過電磁波觀察到。而引力波的發(fā)現(xiàn)為我們提供了另一種探索宇宙的途徑——通過時空的波動，科學家們得以“聆聽”宇宙中最劇烈、最神秘的事件。

圖 致密雙星的并合事件,黑洞周圍的彩色輪廓代表數(shù)值模擬的引力波振幅

引力波的概念最早由阿爾伯特·愛因斯坦在1916年根據(jù)他的廣義相對論提出：時間的一維性和空間的三維性共同組成“四維時空”的概念，四維時空描述著太空中的引力源所產生的引力場，它的結構改變會帶來時空曲率的改變，也就是說，引力并不是一種“力”，而是由物質引起的時空彎曲。每當有大質量天體存在，它們會讓周圍的時空發(fā)生彎曲，而物體沿著彎曲的時空軌跡運動，這就是我們所感知到的“引力”。

雖然愛因斯坦早在1916年就預言了引力波的存在，但直到近一個世紀后，科學家們才終于直接觀測到它們。位于美國的LIGO（激光干涉引力波天文臺）于2016年2月11日宣布探測到了人類歷史上的第一道引力波。這是一個里程碑式的發(fā)現(xiàn)，直接驗證了愛因斯坦的預言，同時標志著引力波天文學的誕生。LIGO探測到的引力波來自兩個相距13億光年的黑洞并合事件。這兩顆質量分別約為29倍和36倍太陽質量的黑洞在太空中旋轉、加速，最終碰撞并合，形成一個更大的黑洞。這一極端事件在短短0.2秒內釋放出的能量相當于三倍太陽質量的質量轉化成了引力波，震動了宇宙的時空，并向外擴散。這些引力波經(jīng)過漫長的旅程，最終被LIGO在地球上捕捉到。引力波的發(fā)現(xiàn)讓我們從“視覺宇宙”轉向了“聽覺宇宙”，我們不再局限于光波的觀察，而是開始“聆聽”宇宙的脈動。

圖 位于美國華盛頓州漢福德（左）路易斯安那州利文斯頓（右）的激光干涉引力波天文臺

愛因斯坦的預言：引力波的理論基礎

在廣義相對論的框架下，如果一個大質量天體在加速運動，比如兩顆黑洞互相繞轉并合，或中子星相撞，它們會攪動周圍的時空。這種攪動會產生波動，類似于在水面上拋石子后產生的漣漪，只不過這些波動不是在水面上傳播，而是在整個時空中傳播。這些時空波動就是引力波，它們以光速在宇宙中傳播，帶走能量和信息。而我們把引力波比喻為宇宙的“聲音”，是因為它們與聲波有某種相似之處。引力波的波形由振幅和頻率描述，就像我們在空氣中感受到的聲音是由物體振動引發(fā)的聲波傳遞到我們的耳朵一樣，引力波是由天體劇烈活動導致的時空波動，并以光速在宇宙中傳播。當這些波動到達地球時，它們會引起極其微小的時空扭曲，類似于微弱的振動。通過先進的探測儀器，我們能夠捕捉這些時空的“振動”，進而“聽到”宇宙深處的事件。

要更好地理解引力波，可以將時空想象成一張橡膠布。當你在布上放置一個重物時，布會發(fā)生彎曲，這就類似于天體引起的時空彎曲。如果你突然移動這個重物，布面上會產生波動向外擴展，這些波動就是引力波。

同樣，宇宙中的大質量天體如黑洞、恒星或中子星，在發(fā)生劇烈運動時，會讓周圍的時空產生漣漪，這些漣漪就是引力波。不同的是引力波并不會消失，而是會一直傳播。這就是為什么即便是億萬光年之外發(fā)生的黑洞并合事件，我們也有可能通過捕捉這些引力波信號來探測到。

圖 引力波的頻段范圍

引力波的產生與探測

在發(fā)生劇烈的宇宙活動時會產生足夠強烈的引力波，例如以下一些主要的引力波來源：

超大質量黑洞雙星的并合

當兩個質量極其巨大的黑洞相互靠近并繞轉時，最終它們會合并為一個更大的黑洞。這個過程釋放出大量能量，產生的引力波信號十分強烈。超大質量黑洞通常存在于星系的中心，合并時產生的引力波可以跨越宇宙數(shù)十億光年。通過觀測這種現(xiàn)象，科學家們能夠研究黑洞的形成和星系演化的過程。

極端質量比黑洞雙星的繞轉

這種情況發(fā)生在質量差距非常懸殊的兩個黑洞之間。一個是超大質量黑洞，另一個則是一個質量相對較小的黑洞（或中子星）。小黑洞圍繞著大黑洞旋轉，產生的引力波信號非常精細?？茖W家通過研究這種系統(tǒng)，可以了解在極端引力環(huán)境下物質的運動規(guī)律，以及黑洞的性質。

銀河系內致密雙星的繞轉

銀河系內部也存在著許多雙星系統(tǒng)，其中一些由極其致密的天體組成，如中子星或白矮星。當它們相互繞轉時，雖然釋放的引力波較弱，但這些信號相對更加穩(wěn)定并且易于長期監(jiān)測。這些雙星系統(tǒng)的研究有助于我們了解恒星的演化過程，以及致密天體之間的相互作用。

隨機引力波背景

這種引力波源不是來自于某一個具體的天體系統(tǒng)，而是來自宇宙中的“噪聲”。這些引力波可能源于宇宙早期的劇烈事件，比如大爆炸或其他大規(guī)模的宇宙結構演化過程。

盡管引力波攜帶著宇宙中最劇烈事件的信息，但它們到達地球時已經(jīng)極其微弱。由于引力波是時空的微小“漣漪”，當它們經(jīng)過地球時，它們引起的時空扭曲的幅度比原子核的直徑還要小。而除了信號本身極其微弱，地球上還存在各種噪聲干擾，如地面震動、空氣流動，以及人類活動等影響。為捕捉如此微弱的信號，就需要極高精度的設備。

為了解決探測難題，科學家們對激光干涉儀進行了進一步開發(fā)。激光干涉儀通過測量兩條相互垂直的激光路徑長度變化，來捕捉引力波引起的時空扭曲。，在激光干涉儀中，有兩條相互垂直的臂，每條臂都有一束激光來回反射。當引力波經(jīng)過時，在引力波傳播方向的垂直平面內的時空會引起伸縮變形，一條臂會變長，另一條臂會變短，產生距離上的極其微小的變化。而在引力波的下一個半周期，情況正好相反：原來拉長的臂變短，原來縮短的臂變長。通過測量這些微小的臂長變化，科學家們可以捕捉到引力波的存在。再進一步地分析引力波的“波形”可，則可了解引力波源的質量。

圖 引力波對邁克遜激光干涉儀中檢驗質量的效應

前文介紹的最早宣布探測到引力波信號的 LIGO 屬于地面引力波探測器，而另外一種是空間引力波探測器。其優(yōu)勢在于它們被部署在太空中，遠離地球的各種干擾。在太空環(huán)境中，沒有大氣層的阻擋，也沒有地球震動和自轉的干擾，因此空間探測器能夠捕捉到非常微弱、低頻的引力波信號。而且空間引力波探測器通常由多個衛(wèi)星組成編隊，每顆衛(wèi)星間的距離遠遠超過地面探測器的探測臂長度，內部都有自由漂浮的測試質量，通過超高精度星間激光干涉測量技術來精確測量引力波引發(fā)的微小距離變化。這種超長的探測臂能夠使探測器對低頻引力波極其敏感。這對于探測特定宇宙事件至關重要，因為低頻引力波通常來自于超大質量黑洞合并、軌道周期較長的雙星系統(tǒng)或大尺度的天體相互作用等，這些事件釋放的引力波頻率低于地面探測器的敏感范圍。

由中國科學院主導太極計劃便是空間引力波探測器的重要代表。太極計劃預發(fā)射三顆衛(wèi)星，形成300萬公里的等邊三角形編隊。目前已成功發(fā)射了驗證衛(wèi)星Taiji-1，預計在2033年發(fā)射完整編隊以探測低頻引力波。

另外一項天琴計劃是由中山大學發(fā)起，三顆衛(wèi)星將圍繞地球運行，形成約10萬公里的編隊。首顆驗證衛(wèi)星TianQin-1已于2019年發(fā)射，目標是在2035年實現(xiàn)完整的引力波探測系統(tǒng)。

圖 國內外空間引力波編隊構型

除了上述的方案，脈沖星計時陣和宇宙微波背景極化觀測等方法也在不斷發(fā)展。這些技術將幫助我們探測從超大質量黑洞合并到宇宙早期漲落產生的各種引力波，進一步豐富我們對宇宙演化、大尺度結構形成等深層次問題的理解。

參考論文

[1]郭宗寬,蔡榮根,張元仲.引力波探測:引力波天文學的新時代[J].科技導報,2016,34(03):30-33.

[2]林志勇.空間引力波探測自引力仿真技術研究[D].長安大學,2023.

作者：蔡文垂 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 研究生

審核：劉茜 北京天文館研究員