利用引力波探索宇宙

06-14

合併的黑洞、盤旋的白矮星、自旋中子星都能發出引力輻射。天文學家正在對這些神出鬼沒的信號展開搜尋。（圖片來源：ASTRONOMY: LUANN WILLIAMS BELTER; SCIENTIFIC SIMULATION AT LEFT:C. REISSWIG, L. REZZOLLA(ALBERT EINSTEIN INSTITUTE); SCIENTIFIC VISUALIZATION: M. KOPPITZ(ALBERT EINSTEIN INSTITUTE & ZUSE INSTITUTE BERLIN); SCIENTIFIC SIMULATION AT CENTER: NCSA/AEI POTSDAM/WASH. UNIV. COLLABORATION; VISUALIZATION;: VERNER BENGER (NCSA)/AEI POTSDAM/WASH. UNIV./ZIB VISUALIZATION TEAM）

終我們一生，引力一直與我們形影相伴。正是因為它穩定了建築和橋樑，我們才有了城市和運輸系統。正是因為它緊緊抓住大氣層，我們才有了生機勃勃的地球。雖然牛頓被蘋果砸中才發現了萬有引力，但這個看不見、摸不著的力量源頭至今仍像謎一樣難解。

如果天文學家能夠像觀測可見光或其它電磁輻射那樣經常觀測引力波，他們會有怎樣的發現呢？理論認為，引力可以在時空中產生波紋。即使是麻雀扇動翅膀也能產生引力波，進而導致時空出現微小擾動。儘管如此，探測引力波的最好機會還是要到更大尺度上去找。

科學家若能直接探測到引力波，這將為阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論提供最強的檢驗機會——雙星系統中互相繞轉中子星的最後階段、宇宙中期的星系碰撞所導致的超大質量黑洞合併、甚至宇宙大爆炸的漣漪。引力波探測將告訴天文學家中等質量黑洞是否存在。在更大尺度上，科學家還有機會探測到前所未見的新天體——正如經常發生的那樣，每當科學家探索一個全新領域，他們都能有所斬獲。

在時空中傳播的輻射

幾千年以來，我們在探測活動中獲得的有關宇宙和我們家園的幾乎所有知識全部來自電磁輻射。電磁輻射是電場和磁場在時空中沿著彼此垂直的2個軸交替振蕩、傳播開去的波。最近幾十年，地面探測器也在嘗試尋找著神出鬼沒的引力波的微弱信號。這種波沿著時空中互相垂直的3個軸傳播。我們可以把它想像成時空自身的振蕩。當物質加速運動時，時空受到擾動，就會產生引力波。

剛好路過：引力波（藍色實線）可被視為時空的擾動。當它們在時空中傳播時，它們會改變自由粒子（綠點）的間距。引力波既可以是加號極化（圖上部），也可以是叉號極化（圖下部）。（圖片來源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）

和電磁輻射一樣，引力輻射也是以波動的形式在寬廣的頻域傳遞能量。低頻引力波的波長較長，相應地，高頻引力波波長較短。引力波覆蓋的頻域極廣——從幾乎0赫茲至上千億赫茲。不同質量的天體產生的引力波頻率也不相同。恆星質量的天體（例如做軌道運動的白矮星或中子星）產生高頻引力波，質量更大的天體（例如星系中心的超大質量黑洞）產生低頻引力波。天體質量越大，其產生的引力波信號越強，因為質量越大，天體扭曲時空的作用就越強。

當大質量黑洞合併時，它們產生低頻引力波（相應地，波長較長）。科學家用超級計算機對這一事件進行了數值模擬；上圖展示的是模擬事件過程的一系列定格照片。（圖片來源：NUMERICAL SIMULATION :C. REISSWIG, L. REZZOLLA(MAX PLANCK INSTITUTE FOR GRAVITATIONAL PHYSICS[ALBERT EINSTEIN INSTITUTE]); SCIENTIFIC VISUALIZATION: M. KOPPITZ(MAX PLANCK INSTITUTE FOR GRAVITATIONAL PHYSICS[ALBERT EINSTEIN INSTITUTE] & ZUSE INSTITUTE BERLIN)）

第一個提示

早在1916年，愛因斯坦便預言質量能夠彎曲時空，引力波也可以在時空中傳播。但時至今日，天文學家也沒能直接捕捉到引力波。不過，他們卻找到了引力波存在的間接證據。

1974年，物理學家Russell A. Hulse和Joseph H. Taylor Jr發現了一個獨特的雙星系統。兩人因此而分享了1993年的諾貝爾獎。他們花了幾個月時間跟蹤一個緻密恆星殘骸（快速自旋中子星或稱脈衝星）發出的脈衝信號。他們發現這顆脈衝星（編號PSR 1913+16）與另一顆看不見的中子星一起圍繞著空間一點轉動。根據脈衝信號，Hulse和Taylor計算了2個天體的質量、旋轉軌道和它們的相對運動軌道。

Joseph H. Taylor Jr.（左）和Russell A. Hulse（右）發現了一個雙中子星系統，並且發現（由Taylor和同事共同完成）這個系統以引力輻射的形式放出能量。兩人因此分享了1993年的諾貝爾物理學獎。（圖片來源：AIP EILIO SEGRE VISUAL ARCHIVES, PHYSICS TODAY COLLECTION(TAYLOR); AIP EMILIO SEGRE VISUAL ARCHIVES, W.F.MEGGERS GALLERY OF NOBEL LAUREATES, PHYSICS TODAY COLLECTION(HULSE)）

在發現這個系統後不久，Hulse便不再做天文研究了。但Taylor和其他同事卻還繼續跟蹤觀測這顆脈衝星。他們發現它的軌道周期（只有短短的7.75小時）隨著時間在衰減，而且其衰減方式在某種程度上與引力波輻射一致。天文學家認為，這顆脈衝星損失的軌道能量正是以引力波的形式傳出去的。

Taylor的同事、美國明尼蘇達州Northfield市Carleton學院的Joel Weisberg說，現在，經過近40年的觀測，他們發現2位系統成員的間距縮短了136米。再過約300億年，這兩顆中子星的軌道將漸漸縮小到一點，屆時兩顆恆星將會合併。

「在我們發現了這個雙星系統後，大家又陸續發現了其它類似的脈衝星系統。」Taylor說。「不過，後來的發現都不及我們的發現所達到的靈敏度。「

連結、統一

儘管科學家已經在好幾個系統中間接探測到引力輻射，但獲得引力波的直接證據依然至關重要。這是因為「我們需要在基本層面上理解自然規律，包括引力波在時空中的傳播方式，」Taylor說。「最重要問題是當自然規律逐步被包括進大統一場理論，為什麼引力卻依然置身事外。」

「物理學四大基本作用力分別是兩種核力、電磁相互作用和引力，」他接著說到。「前三種力都能用大統一場理論解釋，唯獨引力無法量子化。箇中原因我們一無所知。「在原子尺度上，引力比其它作用力都要弱。但在宇宙學尺度上，引力主導著一切。

截至目前，還沒有任何主流理論可以成功地把這兩個不相容的物理學領域統一起來。

「量子物理學的研究對象是基本粒子，」美國帕薩迪納市加州理工學院的引力波專家BarryBarish說。「量子理論預言了希格斯玻色子的存在。歐洲核子研究組織前不久剛剛發現了這種粒子。與此類似，我們也知道廣義相對論是正確的。但我們不清楚究竟是愛因斯坦最初提出的那個版本是正確的，還是其它版本是正確的。「

為了了解更多引力的秘密，科學家首要做的便是尋找引力波。不過，找尋的最終目的卻是透過不同的物理機制、從另一個角度觀察宇宙——打開一扇認識宇宙的新窗口。「只不過我們進展得沒有預想的那麼快。」Barish說。

精準的自然時鐘

天文學家尋找的引力波源之一是脈衝星。不過，他們的搜尋方法與Taylor、Weisberg的不同。幾個國際合作研究團隊追蹤觀測的是毫秒脈衝星（每秒自轉數百次的脈衝星）。當背景引力波路過地球時，會使這些精準的時鐘出現微小變化。由於這種天體自轉速度穩定，天文學家試圖通過尋找這一變化而找到引力波存在的證據。

藉助脈衝星的信號：根據引力波理論，黑洞在合併過程中產生的引力波會在時空中傳播開去。天文學家正在利用有精準自然時鐘之稱的毫秒脈衝星搜尋引力波。當引力波從地球和脈衝星之間經過，它會改變脈衝信號的頻率。（圖片來源：ASTRONOMY:ROEN KELLY）

北美納赫茲引力波探測（簡稱NANOGrav）項目的觀測設備是波多黎各的阿雷西博射電望遠鏡（Arecibo）和美國西弗吉尼亞州的綠岸望遠鏡（Green Bank）。它是一個國際脈衝星計時陣項目的一部分，與澳大利亞帕克斯脈衝星計時陣、歐洲脈衝星計時陣攜手進行觀測。

置身於雙星系統的毫秒脈衝星可能會加快自轉。「當伴星演化至向外膨脹的巨星階段，脈衝星會因為吸收了一部分伴星的物質而越轉越快。」NANOGrav團隊成員、加拿大溫哥華不列顛哥倫比亞大學的天文學家Ingrid Stairs解釋說。「不過，自轉速度要加速到毫秒量級需要大概10億年時間。「

「我們長期監測脈衝星的信號，從相隔數月或數年時間的信號中尋找相關性。」Stairs接著說道。「如果引力波從地球附近經過，地球周圍的時空會在這個或那個方向上出現一點點扭曲。天空中位置相鄰的一對脈衝星，其發出的信號會因為時空扭曲而或早或晚表現出一些相關性。」科學家試圖從脈衝星信號中找到幾十納秒量級的微小變化。這些變化可能是眾多超大質量黑洞在碰撞過程中發出的、隨機分布的背景引力波所造成的。

最近十年，我們才接近引力波探測所需要的計時精度——觀測數十個脈衝星信號的100納秒或更小量級的變化。「但我們仍未達到觀測要求。」Stair說。

NANOGrav最有可能探測到的是處於合併最後階段的超大質量黑洞（它們此時的軌道周期僅為1年）發出的引力波。這些黑洞質量巨大，其加速度也大。它們發出的引力波波長最長（頻率最低）。這正是NANOGrav擅長的觀測頻段。

天文學家期望探測到頻率為納赫茲（10的-9次方）的引力波（比廣播電台AM信號的頻率低了15個數量級）。「我們希望未來幾年能夠進行引力波探測，」Stairs說。一旦探測到引力波信號，他們將測量不同頻率處的信號強度，進一步了解引力波源的性質。

其它正在進行中的引力波探測項目

耗資3億6千萬美元建造的激光干涉引力波天文台（簡稱LIGO）是有史以來最雄心勃勃的地面引力波探測項目。該項目由加州理工學院和麻省理工學院合作研發，已經在10-10000赫茲頻段花費近5年時間尋找高頻引力波。現在，它正在進行設備升級。這次升級將花掉2億5百萬美元。地面探測器可能找到的引力波源包括碰撞中的脈衝雙星、合併中的恆星質量黑洞、核坍縮II型超新星、甚至還有中子星的表面轉變。

LIGO的觀測設備分別放置在兩個地方。其一是美國華盛頓州的Hanford。那裡建有2台探測器，長度分別為4公里和2公里。另一個是位於美國路易斯安那州的Livingston Parish的一台4公里長的探測器。每台探測器都伸出兩個彼此垂直的長臂，形如英文大寫字母「L」。激光光束則從長臂內部的真空管中穿過。

為了避免光線進入LIGO的光子計數器，進行干涉的激光光束都經過仔細調整，使其波峰和波谷的位置有所偏差，只能產生暗干涉條紋（相消干涉）。當引力波垂直穿過LIGO長臂，它會拉長一條臂內的激光束，同時縮短另一條臂內的光束。這種探測方法利用了激光光束自身的相消干涉。路過的引力波會暫時使激光發生相長干涉，進而允許一部分光子進入計數器（計數器被放置在懸掛的測試質量塊上）。這些光子將被視為探測到引力波的證據。

在運行初期（於2010年結束），LIGO沒有發現引力波的蹤影。儘管如此，科學家仍然認為LIGO的探測很成功。他們接下去所要做的是升級設備——把探測器的靈敏度提高1000倍。加州理工學院的實驗物理學家、LIGO首席科學家Stan Whitcomb告訴我們說，明年晚些時候，LIGO將在低於最高靈敏度的情況下採集數據。在那之前，項目組在過去幾年時間裡不斷地升級鏡面、提高激光束能量、改變測試質量塊和懸掛裝置。

義大利和德國也各有自己的地面引力波探測設備。在義大利城市比薩附近，有一台建造了3公里長垂直臂的激光干涉儀——Virgo。它從2007年開始收集數據。不過，它至今還未探測到任何引力波。現在，負責Virgo運行的歐洲引力波天文台正對探測器進行升級。這次升級預計在2015年年底完成。

與此同時，德國和英國在德國漢諾威市附近建造了一個名為GEO600的引力波干涉儀。這個干涉儀的臂長僅有600米。它曾與LIGO協同進行了多次探測，並已完成了部分升級。然而，在一些科學家眼中，GEO600更像是一個研發項目，無法在引力波探測中佔有一席之地。

全球範圍的局限

當代地面探測器正處於引力波探測能力的風口浪尖上，天生無法擺脫地球背景雜訊的干擾。「受人類活動、交通、地質活動及風向的噪音影響，我們在10赫茲以下幾乎什麼信號也看不到。這是興建地面探測器的主要局限之一。」美國華盛頓特區美國大學的Harry Gregory說。他是LIGO項目光學工作組的前任主席。

廣袤的太空里沒有那麼多雜訊，因此更容易探測到低頻波。不過，探測器要想在高頻段保持高靈敏度，需要高能量的激光束。這一要求在太空中比較難達到。所以，為了探測高頻引力波，Whitcomb設想在2025年前後，由新一代高靈敏度的地面干涉儀構成一個全球引力波探測網。他說，這個觀測網可以幫助科學家協調各個引力波觀測站和觀測電磁波的望遠鏡。其目的是整合各路觀測，根據引力波到達各觀測站的時間，天文學家能進一步確定引力波的物理起源。

「了解宇宙中有多少黑洞、它們如何形成、它們的合併又如何幫助星系成長是引力波研究領域最令人激動的課題，」Whitcomb說。「對於這些問題，我們有諸多猜測，卻缺乏這些過程的觀測數據。」

2001年，天文學家首次發現兩個超大質量黑洞共存於一個星系的中心區域。這個發現為小質量星系合併形成大質量星系——就像上圖中的NGC 6240——這一理論提供了更多證據。（圖片來源：X-RAY: NASA/CSC/MIT/C. CANIZARES, M. NOWAK; OPTICAL: NASA/STScl）

太空探索

研究引力波的科學家們早就籌劃著太空引力波探測了。在上個世紀90年代初，歐洲空間局和美國宇航局提出一個合作探測項目——激光干涉空間天線（簡稱LISA）。此後，這個項目發生了巨大的變化。如今，美國宇航局已經退出合作，歐洲空間局則繼續推進一個2034年太空引力波天文台項目。美國宇航局可能會對後面這個項目略有貢獻。原計劃的LISA項目不得不縮小規模。雖然縮水後的LISA項目（簡稱eLISA）依然是一個主要競爭者，不過在未來幾年裡，其設計理念與2034項目並不會形成正式的競爭。

引力波研究領域的科學家們對2034年滿懷期待。這一年，歐洲空間局將發射一個大型天文台到太空中去搜尋時空的擾動。處於領先地位的探測計劃是縮水版的LISA項目。上圖是LISA探測器的想像圖。（圖片來源：AEI/MM/EXOZET/NASA/C. HENZE）

德國漢諾威市馬克斯·普朗克引力物理研究所所長Karsten Danzmann說，eLISA目前採用的架構與他在上世紀90年代初提出的方案相差不大。LISA的預想架構包括3個1.8米長的圓柱狀飛行器。它們繞太陽飛行，並在太空中排布成一個等邊三角形（三角形邊長為500萬公里）。而eLISA則採用「1個母飛行器和2個子飛行器」排成V形的架構（每邊長為100萬公里）。儘管架構的改變——實際上把天文台的規模縮小了5倍——降低了系統的靈敏度，卻節約了研發成本，使空間機構能夠獨自承擔建造費用。

eLISA將與太陽保持1個天文單位的距離，並在距離地球2-5千萬公里處尾隨地球飛行。其軌道面相對於太陽系盤面呈60度傾角。它的工作模式與LIGO相似，採用2個功率為1瓦特的紅外激光束，通過比較兩個光束的干涉紋樣來搜尋引力波。eLISA和原版LISA在0.001-0.1赫茲頻段（對應的波長範圍分別為3千億和30億公里）最靈敏。波長如此長的引力波可能源自於銀河系內的雙白矮星系統、其它星系中心超大質量黑洞的碰撞和合併，還可能（如果走運的話）源於宇宙大爆炸。

這兩個天文台採用了相同的探測方法。在3個飛船內部的真空環境里，各有一些自由飛行的金-鉑立方塊。這些合金質量塊各邊長為4厘米，其表面還經過打磨以減小摩擦阻力。探測器通過測量它們的間距變化來探測引力波。科學家要測量的是這些檢驗質量塊的相對位置。磁場和太陽粒子的轟擊會產生干擾信號，而且很難與引力波信號區分開。為此，所有質量塊還進行了消磁處理，使其對前兩者的干擾無動於衷。Harry說，這裡的基本想法是檢驗質量塊在空間中的運動只受引力影響。天文台將使用推進器操控飛船，使其不與「自由漂移」的檢驗質量塊接觸。

「到2020年為止，我們必須要完善細節，」Danzmann說。「大家都希望美國宇航局加入進來，這樣我們可以進一步提高項目的探測能力，超過歐洲獨力建造所能達到的探測能力。」如果美國宇航局同意合作，那麼eLISA將恢復成原計劃的LISA項目。

天文學家希望類似LISA這樣的天文台在其觀測的頭幾個月就能發現數千個引力波源。這些源包括超緊密的雙中子星系統、超大質量黑洞合併及旋轉落入超大質量黑洞的恆星質量黑洞。

歐洲空間局將在2015年年中把自己研發的LISA探路者送入太空——一個用來測試整個項目關鍵技術的飛行器。測試對象包括激光干涉、自由漂移的檢驗質量塊、無阻力控制技術、磁學性能和雜訊。

明年，測試未來引力波天文台技術的飛行器——LISA探路者將會發射升空。在其核心是一個裝著金-鉑檢測質量塊的電極筒（圖上部）。在太空失重環境中，這個質量塊將在電極筒中自由漂移，只有引力可以影響它的運動。（圖片來源：ESA）

回到最初

想要直接探測宇宙大爆炸產生的引力波，天文學家不得不放眼未來。幾年前，美國宇航局資助了一個概念研究項目，作為「超越愛因斯坦」項目的一部分，以便了解如何才能掀開遮擋在時間開端——回溯到宇宙微波背景輻射之前（宇宙大爆炸之後大約38萬年）——前面的鐵幕。這個遍布宇宙的背景輻射記錄下電子和原子核合為一體，並且光子開始在時空中自由飛行的時刻。

這項研究詳述了一個大爆炸觀測者項目。該項目最早可能在本世紀中葉展開。它與LISA類似，但比後者更具野心。它需要3組——而不是3個——飛行器。這些衛星也圍繞太陽飛行，只是其工作頻段為0.1-10赫茲——介於LISA這樣的空間探測項目和地面干涉儀的工作頻段之間。

Harry是美國宇航局大爆炸觀測者項目概念組成員。他介紹說，大爆炸產生的引力波很可能隨機分布在宇宙中，而且覆蓋了很寬的波段——長至宇宙可觀測部分的大小，短至數千公里甚至更短。從理論上講，類似升級版LIGO這樣的地面引力波探測器能夠探測到所有尺度上的引力波。

引力波譜：不同事件產生的引力波頻率也不同。上圖比較了各個引力波源的引力波頻率與目前進行中的和未來的引力波探測項目的工作頻段。（圖片來源：ASTRONOMY:ROEN KELLY, AFTER C. MOORE, R.COLE, AND C. BERRY(INSTITUTE OF ASTRONOMY, UNIV. OF CAMBRIDGE)）

這種原初引力波可以幫助天文學家看到宇宙的超高速膨脹——暴漲（發生在第10的-36次方秒）。甚至更早的事件——大爆炸本身——也能產生引力波。如果科學家真能探測到這類引力波，它們也許能提供給我們有關極高能粒子相互作用的信息。這樣高的能段是地面人造粒子加速器所望塵莫及的。

雖然直接探測原初引力波仍是幾十年後的事，但就在數月前，宇宙學家對外宣布說他們在宇宙微波背景輻射中看到了暴漲引力波的印跡。這個被堅守在南極的BICEP2探測器發現的渦漩圖樣是極早期時空擾動的遺迹。

今年3月，科學家對外宣布說在宇宙微波背景輻射（簡稱CMB）中發現了「B模」極化信號。宇宙暴漲（發生在宇宙誕生後的極短時間裡）產生的原初引力波在CMB中留下了這個渦旋圖樣。（圖片來源：THE BICEP2 COLLABORATION）

儘管如此，這個發現（如果得到確認的話）仍然只是原初引力波存在的間接證據。時至今日，科學家接收到的最早的信號仍然是宇宙微波背景輻射。「宇宙肇始與微波背景輻射之間還存在著相當大的空白，」Harry說。「那段時間發生了什麼，我們知之甚少。因此，任何有關那一時期的觀測數據都彌足珍貴。」

不過，Taylor認為，即便真的探測到了如此古老的引力波，我們也很難斷定它們是否真的是大爆炸或暴漲的產物。「這些信號並沒有什麼獨一無二的、可以以之命名的特徵，也不會告訴我們它們來自於哪裡，」他接著說。

即使如此，正如Danzmann所指出的，一旦科學家將引力波引入到日常的天文學研究中來，這個新研究對象將使這門學科發生天翻地覆的變化。「引力波在宇宙中傳播不息，不受任何干擾，並且與光一般快，它將徹底變革天文學，」他說，「它向我們展示出的是一個依靠別的途徑無法看到的世界。」