遙遠的宇宙空間會發生怎樣震撼人心的波動？——探秘引力波

原創：鄭娟娟

　　寫在前面：在廣袤的宇宙中越是神秘的事物往往越難以被發現。例如，愛因斯坦的廣義相對論預言了時空會發生彎曲——這一點對於生活在地球上的人來說簡直難以想像，廣義相對論還預言了引力波的存在，但直到2015年9月14日，人類才第一次正式探測到引力波，這一天，廣義相對論中最有趣的預言之一才終於從理論變成現實。根據LIGO和NASA的介紹，我們來深入了解一下到底什麼是引力波，它的來源是什麼，都有哪些類型，以及科學家們為什麼要探測引力波。不過，今天的這一篇也是為下一篇做鋪墊，下一篇，我們會探秘雙黑洞碰撞，在那之前，很有必要細緻地了解引力波的有關情況。

　什麼是引力波？

　　首先，由愛因斯坦的廣義相對論指出並被科學觀測所證實，引力會引起時空彎曲，時空的彎曲結構取決於物質的能量密度、動量密度在時空中的分布，而時空的彎曲結構又反過來決定物體的運動軌道。

圖片：想像網格表示的是空間，根據圖示可以了解地球對空間的彎曲。

引力波，則是時空彎曲中的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。1916年，愛因斯坦在他的廣義相對論中預言了引力波的存在。愛因斯坦的數學表明，大質量的加速運動的物體（如繞著彼此運行的中子星和黑洞）將會破壞時空的結構，使得扭曲的空間的「波浪」從源頭向外輻射。並且，這種漣漪將以光速穿過宇宙，攜帶著輻射源的信息，同時也帶走了輻射源的部分能量，以及有關引力本身性質的極其重要的線索。

圖片：雙黑洞系統產生的引力波，由於引力波會帶走軌道能量，最終兩個黑洞會發生碰撞成為一個黑洞，當最後形成的黑洞處於穩定狀態時，就不再產生引力波。引力波是時空的漣漪。

　　到目前為止，人類對於時空的彎曲還不甚了解，幾乎沒有多少相關的實驗和觀測數據，就好像只見過風平浪靜的海面的人，很難了解狂風暴雨時波浪滔天的大海一樣。人們幾乎不知道多少有關劇烈的時空變化的情況，其中的空間位形和時間流逝的速率就更無法想像了。而引力波源自空間的彎曲，因而它是探測宇宙彎曲的理想工具。

宇宙中最強的引力波是由災變事件（catastrophic events）產生的，例如黑洞碰撞、超新星爆發、中子星或白矮星的聚結等。

　　儘管愛因斯坦在1916年就提出了引力波的存在，但是直到1974年，人們才真正找到引力波存在的證據。彼時，愛因斯坦已經去世20年。

　　1974年，在波多黎各阿雷西博射電天文台工作的兩位天文學家Joseph Taylor和Russell Hulse發現了一個脈衝雙星系統（兩個極其緻密的大質量恆星繞著彼此運行的系統），根據廣義相對論，這個脈衝雙星系統應該會輻射出引力波。為了證實愛因斯坦大膽的預言是否正確，天文學家開始測量這個脈衝雙星系統的軌道周期是如何隨時間變化的。經過8年的觀測，天文學家確定這兩顆恆星隨著時間的推移彼此之間接近的速度，正是由廣義相對論所預測的速度。由於這一發現，Joseph Taylor和Russell Hulse在1993年獲得了諾貝爾物理學獎。

　　現在，這個雙星系統已經被監測了40多年，期間人們觀察到的軌道變化與廣義相對論非常一致，毫無疑問，它正在發出引力波。自那以後，很多天文學家都開始研究脈衝雙星的射電輻射的時間，進一步確定了引力波的存在。不過這些證據都是間接的或者是數學上的，依然沒有通過與引力波實際的物理接觸來證實它的存在。因為實際上引力波是極其微弱的，地球上有大量的地震活動，想要在地球上探測引力波是極其困難的。

　　儘管如此，引力波，這種空間的波動，還是太讓人著迷了。

　　看過電影《星際穿越》的朋友們或許會知道基普 索恩（Kip Thorne）,他是這部電影唯一的科學顧問，師從著名的物理學家約翰 惠勒，Thorne致力於宇宙時空彎曲的研究，並和其他科學家一起創建了著名的LIGO（The Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory,激光干涉引力波天文台），尋找來自遙遠宇宙的空間波動。終於在2015年9月14日，LIGO第一次在物理上感知到時空本身的扭曲，LIGO當天探測到的引力波來自於13億光年之外兩個黑洞的強烈碰撞——這一發現應該會成為人類歷史上最偉大的科學成就之一。

圖片：LIGO

為什麼要花費大量的金錢、時間和人力去探測引力波？

　　LIGO已經建立了幾十年，其間已經投入了天文數量的金錢、長期的細緻規劃和不斷的更新迭代，以及數量在千人之上的研究人員。為什麼要花費如此巨大去探測引力波呢？

　　因為，根據LIGO目前的精確程度，它可以探測到的引力波將是由宇宙中最為震撼的天文事件所產生的，例如黑洞間的碰撞、恆星爆炸、甚至是宇宙的誕生（1975年，俄羅斯天文學家Leonid Grishchuk曾預言，宇宙大爆炸會產生大量引力波，來自大爆炸的引力量子漲落會被宇宙初始的膨脹顯著的放大，在經過放大後，就形成了原初引力波，如果這些引力波能夠被發現，就可以幫助人類一瞥宇宙誕生時的情形）。探測和分析由引力波所攜帶的信息，將會使人類用一種前所未有的方式觀察宇宙，它將打開探索宇宙的一扇新的大門，使我們對宇宙的災變事件進行更深入的了解，並將人類引進物理學、天文學、天文物理學最前沿的研究領域。

　　長期以來，科學家們都主要依賴於對電磁輻射（例如可見光、X射線、無線電波、微波等）的觀測來學習和了解宇宙中的事物和現象。引力波並不是電磁輻射，它是完全不同的現象，它攜帶了電磁輻射所不能攜帶的有關宇宙的事物和天文事件的信息。例如，黑洞的碰撞，幾乎不會發出或者只會產生很少的電磁輻射，但是，由黑洞的碰撞產生的引力波卻使它們就像黑暗宇宙之海中的信號燈一樣閃閃「發光」。此外，由於引力波與物質的相互作用非常弱（不像電磁輻射），它們在宇宙中的穿行幾乎暢通無阻，使我們能夠清楚地看到引力波宇宙。引力波所攜帶的有關它們的輻射源的信息，不會像電磁輻射穿過星際空間時遭受種種變形或改變。通過這種全新的探測天體物理物體和現象的方法，引力波將真正在宇宙探測上開啟一個新窗口，大大增加我們對宇宙本質的理解和對時空本身的了解。

引力波的來源和類型

　　實際上，任何有質量的物體在加速運動時都會產生引力波，比如奔跑的人、行駛的汽車和飛機，都可以產生引力波。只不過，由我們產生的這些引力波實在是太微弱了，以至於無法探測到。

　　但是，在宇宙中，存在大量的難以置信的大質量天體，當它們加速運動時，就會產生強大的引力波。為了了解這些天體可能產生的引力波，LIGO的科學家定義了四種類型，每種引力波都具有干涉儀可以感測的獨特的「指紋」或典型振動特徵。它們分別是：連續引力波（ Continuous Gravitational Waves），緊湊雙螺旋引力波（Compact Binary Inspiral Gravitational Waves），隨機引力波（Stochastic Gravitational Waves）和爆發引力波（Burst Gravitational Waves）。

　　連續引力波，由單個旋轉的大質量天體產生，如中子星。當中子星自旋時，它的球形形狀中存在的任何凸起或凹陷都將產生引力波。如果它的自旋速率保持不變，那麼它所發射的引力波的性質也是如此。也就是說，它發射的引力波持續地具有相同的頻率和振幅。

圖片：中子星的計算機模擬圖

　　緊湊雙螺旋引力波，是由大質量和高密度（因而稱為「緊湊」）的天體互相繞著彼此運行產生，這樣的天體包括黑洞和中子星。由此，又包括三種類型的緊湊雙天體系統——雙中子星系統（BNS），雙黑洞系統（BBH），和中子星-黑洞系統（NSBH）。每個雙天體系統都會產生獨特的引力波。

圖片：雙中子星系統模擬圖

　　在這些二元系統中，隨著天體互相繞著彼此運行，就會產生引力波，而引力波則會持續帶走該系統的軌道能量（軌道能量防止兩個天體相撞）。隨著時間的流逝，軌道能量持續被引力波帶走，兩個天體就會越靠越近。不幸的是，當它們靠得越近時，圍繞彼此運行的速度就會越快，而隨著越來越大的加速度，輻射出的引力波就會更強，於是就會帶走更多的軌道能量。長此以往，兩個天體註定會越來越近，越來越快，最終不可避免的是——碰撞。

　　隨機引力波，顧名思義，就是隨機產生的。很多小的引力波始終遍及宇宙，並隨機混合在一起。來自每個方向的小引力波組成了所謂的「隨機信號」，因此稱為「隨機」意味著具有可以被統計分析但可能不被精確預測的隨機模式。這些隨機引力波將是人們檢測的最小（即最安靜）和最困難的引力波。但是存在這樣一種可能性，至少其中一部分隨機信號有可能來自宇宙大爆炸。探測來自大爆炸的遺留引力波將使我們能夠再次回到比以往任何時候都要早的宇宙。因此，探測隨機引力波依然非常有意義。

　　爆發引力波，科學家們對其有更多更多的未知，以至於還沒有建立相關模型。或許有一天當LIGO突然檢測到這樣的引力波時，會帶來特別的驚喜。

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