引力波，一個世紀的求索（二）

原鐵杆天文愛好者，曾任南大天文愛好者協會會長。堅守著「道天制志天道，學文言研文學」的座右銘，終於走上了天文研究這條「不歸路」。德國馬克斯-普朗克引力物理研究所、清華大學博士後，研究引力波。

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引力波探測:於無聲處聽驚雷

在茫茫人海中，我遇到了你，你遇到了我，從此安定下來，想看兩不厭，於是深情地跳起了華爾茲。我們轉啊轉啊轉啊轉，越轉越近越轉越快，華爾茲變成了探戈，舞步也愈加瘋狂，更加熱烈，直至最後一往情深地合二為一，你中有我，我中有你??

別想歪了，我們這裡說的不是言情故事，而是宇宙空間中真實存在的物理場景——兩個緻密的天體，比如中子星或者黑洞，在繞轉過程中不斷釋放引力波輻射並帶走動能，直至雙星系統併合的過程。

表現兩個黑洞繞轉的畫作。圖片來源：NASA

上回我們說到，引力波的測量困難得異乎尋常，這並不是說引力波的源釋放的能量微弱。恰恰相反，像上述的緻密雙星併合過程，應該說是宇宙中最為劇烈的事件之一。它所釋放的能量，遠遠超出太陽一生釋放能量的總和，而這麼大的能量往往集中在最後的一秒之內爆發，所以在那一刻，整個宇宙中所有別的天體釋放功率的總和都及不上它。

天體通過引力波釋放的能量往往是驚人的。幸運的是，它幾乎不和物質相互作用，這就意味著來自核心區域的信息可以暢通無阻地衝出來，傳播到遙遠的宇宙空間去。不幸的則是，它幾乎不和物質相互作用，也意味著哪怕引力波攜帶著巨大的能量從探測器經過，也很難留下任何蛛絲馬跡。

距離愛因斯坦第一次預言引力波的存在已經過去100年了，我們不妨回顧一下，腦洞大開的科學家如何於無聲處聽驚雷，尋找微弱的引力波信號後對應的劇烈物理過程。

上世紀60年代，美國馬里蘭大學的約瑟夫·韋伯建造了一個直徑一米、長度兩米的鋁製圓柱體。當引力波經過圓柱體時，引力波會迫使圓柱在不同方向上不斷地拉伸和壓縮。這會在圓柱體內產生微弱的壓力，而通過精密的壓電感應器，就可以把這個壓力改變靈敏地測量出來。更為巧妙地是，如果引力波的頻率恰好和圓柱體本身的特徵頻率相符，就會引起共振，從而可以測量微弱得多的信號。

引力波經過物體時會使其不斷發生拉伸和壓縮。圖片來源：Markus P?ssel of Einstein Online.

在三維情境下，引力波經過時預計會造成這樣一幅景象。值得注意的是，這些變化的尺度是非常非常非常小的。圖片來源：Markus P?ssel of Einstein Online.

1969年，韋伯發表論文宣稱，他探測到了引力波信號，稍後，他報告了更多的探測結果。這個消息立刻引發了一大波科學家的熱議，許多人也開始搭建自己的共振棒探測器，試圖重複韋伯的實驗。然而，上世紀70年代的大量觀測顯示，即使有著比韋伯更精密的儀器，在排除噪音干擾以後，連一個引力波事件都沒有探測到。這表明，韋伯之前的所謂觀測結果，很有可能只是來自地面的雜訊。

韋伯和他的「韋伯棒」。圖片來源：physics.umd.edu

雖然韋伯的發現在隨後引來了一系列質疑，沒有真實的探測也讓人無比沮喪，但對引力波的熱情已經點燃。從韋伯的教訓中，我們或許學會了重要的一課了，那就是理解了數據處理在這個領域中的重要性。當下引力波研究的先驅者LIGO科學合作組織中，有近半數的科學家和科研投入是和數據處理息息相關的。

韋伯的工作吸引了來自不同領域背景的科學家，關於引力波探測，各種有趣的想法也開始湧現。在美國麻省理工學院開設光學相關課程的萊納·魏斯心血來潮，提出了用激光干涉的方法測量引力波，並且把這個問題作為課堂作業拋給了他的學生。上世紀初，類似的想法就被用來尋找當時普遍認為的電磁波傳播的介質——以太。

簡單來說，一束激光在經過一個半透鏡後朝向兩個互相垂直的方向前進，通過反射鏡反射回來並重新匯聚。匯聚後的激光由於干涉而相互抵消，然而一旦引力波經過，改變反射鏡與半透鏡的距離，干涉現象就會改變，從而測量到引力波。當然，紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。通常激光的波長是微米量級，而要測量的引力波通常卻是微米的萬億分之一，真正實現用激光干涉測量引力波談何容易！

正所謂有意栽花花不開，無心插柳柳成蔭。美國加州理工的著名引力學家基普·索恩（還記得兩年前的《星際穿越》嗎？他是科學顧問兼製片人）關注到了這個新方法。在深思熟慮之後，他發現加上合理的改進，這一方法可以達到比共振探測器高得多的靈敏度。於是，在上世紀90年代，由加州理工和麻省理工合作主導的兩個激光干涉引力波觀測台（LIGO）正式開工建設。在升級了許多新技術以後，更新的高新激光干涉引力波天文台（aLIGO）於去年正式投入運行。兩個LIGO探測器，都成巨大的L形，每一邊都有4千米長。

看到這裡，很多細心的朋友會有疑問，既然引力波可以改變時空，也就是說尺子的兩端也會隨著時空而改變長度，用激光去測量微小的距離變化，真的可以測量出來嗎？能考慮到這一層著實不易，幸好，LIGO的專家也不全是吃素的（當然，也確實有不少素食主義者）。早在LIGO建造之前，科學家就推導出了滿滿的公式。總結下來的意思就是，不管時空如何變化，唯一不變的永遠是光速，用激光測量引力波，與其說是用激光當成尺子去量邊長的變化，不如說是量光通過每一邊時長的變化。巧合的是，在數字上，這個量和把激光當尺子測量的結果別無二致。

就好像聲波分成低頻的次聲波、人耳可以聽到的普通頻率和高頻的超聲波，引力波也有頻率之分。受限於地球上的諸多雜訊，LIGO可以探測高頻的信號，比如雙緻密天體併合，但是對於頻率低於10赫茲的引力波愛莫能助。相應的，就有人提出將激光干涉的方法搬到天上去。遠離了地球，增加了干涉臂的長度，位於空間的太空激光干涉儀（LISA）的想法隨之應運而生。這種低頻引力波信號可能來自銀河系內的雙白矮星的繞轉，或者中等質量黑洞的併合。

不同波段下探測引力波的方法，及對應的波源。圖片來源：wikipedia.org

空間引力波探測的想法吸引了不少關注，其中也有中國科學家活躍的身影。由羅俊院士倡議的天琴計劃就希望發射3顆地球軌道的衛星，在衛星與衛星之間形成激光干涉，從而測量引力波信號。不同於LISA的繞日軌道，天琴計劃選擇的地球軌道將大大降低發射的成本和難度。

除了激光干涉以外，腦洞大開的天文學家還把目光投向了脈衝星。脈衝星的精確計時讓瑞士鐘錶相形見絀，而引力波通過地球和脈衝星之間時，會影響脈衝信號的計時信號。通過測量多個脈衝星的計時數據，天文學家可以等效於把整個銀河系當成一個巨大的引力波探測器，當然，所探測的信號頻率就要低得多，它能探測到的引力波波長甚至可以達到光年的尺度。在星系的形成過程中兩個星系相互併合，而核心的超大質量黑洞也會隨之聯姻，脈衝星計時所測量的就是這種超大質量黑洞對的繞轉了。

宇宙暴脹時期產生的原初引力波，可以通過研究宇宙微波背景輻射的偏振模式得到。在大爆炸過後的極短時間內，暴脹將極小尺度內的量子真空漲落放大到宇宙學尺度，併產生引力波輻射。這種極低頻的原初引力波也影響著宇宙極早期的微波背景輻射，通過識別引力波特有的偏振模式，微波背景輻射的探測有望探測到來自宇宙創生時的第一聲啼哭。2013年，一個名叫BICEP2的團隊宣稱，他們在南極的微波望遠鏡揭示了原初引力波的存在證據。可惜的是，後續的研究表明，他們的觀測只是星際塵埃引起的噪音。

BICEP2 團隊測量的微波背景輻射的B模式偏振。圖片來源: kipac.stanford.edu

在科學探索的道路上，永遠充滿著荊棘。即使智慧如愛因斯坦也不免犯錯，霍金在科學上的打賭更幾乎逢賭必輸。在整整一個世紀的探索引力波的道路上，科學家經歷了許多波折，也由此更加謹慎。作為一個擁有近千名科學家的大型合作組織，LIGO科學合作組織對待自己的數據非常謹慎，有些人甚至認為太過謹慎了。由於引力波探測的獨特性，一旦LIGO宣布引力波的探測結果，將沒有任何辦法檢驗這一論斷，所以LIGO科學合作組織需要絞盡腦汁，以便將來一旦發現引力波信號時，可以對信號的真實性有足夠的自信。

2010年，還沒有升級的LIGO進行了第6次科學運行，同時，位於義大利的VIRGO進行了第2及第3次科學運行。在LIGO和VIRGO聯合觀測前，事先確定了一個由3個人組成的秘密小組，他們有可能會在數據中人為地注入信號，所有其他成員都無從知曉這一過程的具體信息，所以稱之為盲注。

2010年9月16日，LIGO和VIRGO同時探測到一個信號，方向大概來自大犬座，所以代號為「大犬事件」。這一令人激動的信息立刻讓LIGO科學合作組織沸騰了。經過大量的研究工作之後，科學家準備好了用以發表的論文和新聞稿。

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