聽，天體的聲音

瞿立建

假如一個年輕人，他覺得自己一生的目的就是要做革命性的發展的話，他應該去學習天文物理學。

——楊振寧

2019年8月14日，人類再次探測到引力波。

對引力波的直接觀測開始于4年前，截至今天的每一次發現，都是新穎的，都是令人興奮的新聞，至少值得科學家興奮。以前探測到的引力波要么來自兩個黑洞的并合，要么來自兩個中子星的并合，但2019年8月14日這次不一樣，這次引力波來自一個黑洞和一個中子星的并合。這三種引力波事件，構成了一種新型的觀測天文學——引力波天文學。

觀測天體新手段

2016年，我們歡度春節的時候，地球另一邊的美國發布了一條重磅新聞——人類首次直接探測到引力波。這次的引力波事件是在2015年9月14日探測到的，來自兩個黑洞的并合。

這是物理學上的大事件！這也是天文學上的大事件，但沒有為天文觀測帶來展現身手的機會。黑洞劇烈并合輻射引力波，但是黑洞不發光，這讓全世界的望遠鏡干瞪眼。引力波盛宴，只是引力波探測裝置的獨食。

2017年10月16日，3位科學家因引力波獲得諾貝爾獎之后十余天，美國正式宣告了第6次引力波事件。這次事件不同于以前公布的5次引力波事件，之前的5次都來自兩個黑洞的并合，而這次的信號則來自兩個中子星的并合。這次事件中輻射出各波段的電磁波，給了全球和太空中70多座望遠鏡大顯身手的機會。我國的南極巡天望遠鏡AST3-2、第一顆空間X射線天文衛星“慧眼”望遠鏡也都參與其中。

就這次引力波事件刊發的論文，最后署名作者近4000人，署名單位超過900家。新聞發布會當天，相關論文噴涌而出，包括近100篇預印本文章，8篇Science，6篇Nature，《天體物理雜志快報》（TheAstrophysicalJournalLetters）則出了一期?？?，發表了32篇相關論文。大家都有肉吃，這才是盛宴該有的樣子。

這便是引力波天文學的開山之作。

這次引力波事件于2017年8月17日被美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）與歐洲的室女座引力波探測器（Virgo）檢測到。信號特征顯示，這次接收到的是一個全新的引力波——以前檢測到的引力波持續時間最長也就一兩秒鐘，這次持續了約100秒。而且，這次引力波的能量明顯更低。種種跡象顯示，這次引力波并不像以前的引力波一樣源自黑洞并合，它很可能來自中子星并合。

這個全新的引力波信號被接收到約1.7秒后，兩家空間望遠竟一NASA的費米伽馬射線空間望遠鏡和歐洲宇航局的國際伽馬射線天體物理實驗室，便相繼探測到同一個伽馬射線暴，持續時間約兩秒。

引力波和伽馬射線暴，二者在時間和空間上一致，應具有相關性。全球的天文學家們聞風而動，世界各地的望遠鏡開始了忙碌的觀測，各波段的望遠鏡都得以大顯身手。綜合各種觀測數據，最終確認，這次引力波事件源自距離地球1.3億光年處的兩個中子星的碰撞和并合。也就是說，這個事件發生在1.3億年前，當時統治地球的還是恐龍。

這兩顆中子星的碰撞成了天文學家的金礦，不僅是修辭意義上的金礦，還是字面意義上的金礦。天文學家發現，這兩顆中子星的并合生成了金、鉑（俗稱白金）等重元素，這是“重元素形成于中子星并合”這一假說的第一個堅實證據。

這是全球天文學家的完美合作，是多種天文觀測手段的完美合作，是所謂“多信使天文學”的重大突破。這里的信使是指天文觀測的信號，以往有電磁波、中微子、宇宙射線，現在引功波成為這個列表的新成員。

2017年的引力波事件中，多信使天文學讓人欣賞到了兩顆中子星共舞的終曲，而2019年的引力波事件，則給天文學家帶來一個一窺中子星內部結構的機會。

中子星內部是什么樣的？沒有人知道?？茖W家猜想，中子星內部是一鍋面食——緊挨著殼層是球形的原子核，像面疙瘩;再往里，壓強增大，面疙瘩被壓成長管狀結構，像意大利面;再往中子星內部，面條也被壓扁，成了千層面一樣的結構。這就是中子星結構的主流理論，如果這個理論出自陜西科學家之手，以上結構或許會被稱為麻食、手搟面和肉夾饃。不過中子星面食我們可吃不動，它比鋼還要硬100億倍。想要檢驗中子星內部是不是鍋面食，我們不可能在地球上做一個中子星出來細細研究。那該怎么辦呢？

黑洞和中子星并合發出的引力波，為我們檢驗中子星面食理論帶來了可能。中子星可能會被扭曲，這種扭曲會體現在引力波信號中。分析引力波信號，就能推斷出中子星面食理論的合理程度。

中子星和黑洞之間三種并合方式輻射的引力波都已經被檢測到，這極大地豐富了天文學家對天體的理解和認識。不過，天文學家翹首以盼的第四種可能的引力波還沒有被檢測到，那就是超新星爆發所產生的引力波。

超新星是某些恒星在壽命接近終結時經歷的一種劇烈爆炸。

超新星所產生的引力波比較弱，但如果發生在銀河系內，還是有可能被檢測到的。電磁波天文學和中微子天文學只能讓天文學家了解恒星爆炸初始階段的樣子，且主要是靜態的信息，而引力波信號可以向天文學家呈現的則是恒星爆炸全過程錄像。

觀測天體，引力波天文學一出山就立下大功，未來更是值得期待。

理論發展新機遇

引力波是愛因斯坦廣義相對論的光輝預言，引力波被直接檢測到是廣義相對論的巨大成功。那廣義相對論就是關于宇宙天體的終極理論嗎？并不是。

廣義相對論與物理學中另一個極為成功的理論——量子理論有著尖銳的矛盾。量子理論是關于原子和亞原子的理論。廣義相對論里，世界是彎曲時空，所有東西都是連續的，而在量子理論，世界是不連續的能量量子躍動的平直空間。這難免會讓人覺得物理學家精神分裂。

如何使二者相容？這是物理正面臨的最深奧的問題之一。

一種方式就是像愛因斯坦建立相對論一樣，苦心孤詣地推導演算，矢志提出一種理論，以調和廣義相對論與量子力學。在這種情況下，很多理論應運而生，如弦論、圈量子引力理論等，數量不下30種。但這種“愛因斯坦式”的純理論推導并不是物理學家傳統的工作方式。傳統上，研究問題要從物理現象、物理事實出發，如上個世紀之交量子理論的誕生。

能不能從物理現象中尋找到啟發，由此探索能將廣義相對論與量子力學相容的新理論？物理學家也想，但是做不到，這要求我們回望宇宙誕生初期，而目前人類靠電磁波只能追溯到宇宙誕生38萬年后的世界，所以想通過電磁信號洞察宇宙誕生初期的樣子，根本沒戲。

靠電磁波信號追溯宇宙誕生初期的樣子是不可能，但引力波天文學有望改變這一狀況。宇宙大爆炸后宇宙暴脹階段也會產生引力波，這叫作原初引力波。原初引力波演化到今天已經很弱了，但還是可以想辦法測量出來。引力波是廣義相對論現象，宇宙暴脹是量子現象，原初引力波可以將二者聯系起來，一旦檢測出原初引力波的樣子，就有可能推斷出宇宙創生歷程中的一些信息，尤其是推斷出引力是如何出現的，進而就有線索找到統一相對論與量子論的理論。

甚至更進一步，隨著原初引力波往宇宙起點追溯，洞察出宇宙四種基本作用力（即強核力、弱核力、電磁力和引力）如何融合為一種基本作用力，這就有可能指引物理學家找到大統一理論，完成愛因斯坦的未竟之夢。

天文技術新跨越

要使引力波天文學發揮以上提到的威力，需要營建更尖端的引力波觀測設施。很多設施已經在推進中。

目前正在工作的引力波探測裝置有3個，其中兩個是屬于美國的激光干涉引力波探測器（LIGO），另一個是屬于歐洲的室女座引力波探測器（Virgo）。LIGO將在未來幾年內再次升級改造，將靈敏度再提高一倍。

不過，LIGO和Virgo繼續改進的空間很有限了，下一代更大更精密的引力波探測器已經在建設和計劃中了。

2019年末投入運行的日本神岡引力波探測器（KAGRA），是世界上第一個位于地下的引力波探測器，屏蔽噪音和振動的能力空前提高，這個裝置另一改進之處在于，反射鏡置于超低溫條件下，可以進一步增強靈敏度和信噪比。

歐洲正在建設世界上第一座位于太空中的引力波探測器——激光干涉空間天線（LISA），計劃在2034年發射升空。在太空探測引力波，可以徹底消除地面震動噪聲的干擾，便于探測低頻引力波。

中國大手筆推進引力波研究，同時啟動三個大的項目：阿里計劃、天琴計劃和太極計劃，地面和太空兩路并進。

引力波天文學已經是一門成熟的天文學，在天體觀測方面，已經小試牛刀，鋒芒畢露則需待將來世界各大引力波探測裝置投入運行之后。引力波天文學或許會為提出超越廣義相對論的引力理論提供線索。

楊振寧曾說：“假如一個年輕人，他覺得自己一生的目的就是要做革命性的發展的話，他應該去學習天文物理學?！爆F在，是不是可以更具體地說，學習引力波天文學。引力波天文學的建設，中國也適逢其會?？茖W盛事，中國不再缺席。

阿里計劃

中國地面引力波探測項目。全稱“阿里原初引力波探測實驗”計劃，于2017年在海拔5250米的西藏阿里啟動建設，是全球海拔最高的原初引力波觀測站。阿里地區海拔高、大氣稀薄、水汽含量低，又處中緯度，觀測天區大，自然條件得天獨厚;同時具有較完整的基礎設施，是北半球最好的原初引力波觀測臺址。2018年11月，阿里原初引力波觀測站一期基建工程基本完工，將于2020年開始觀測。該項計劃的目標是探測原初引力波，并希望給出一張北天區宇宙微波背景輻射極化最好的天圖。

天琴計劃

中國太空引力波探測項目。由中山大學發起，2015年正式啟動。該項目將向距地球10萬公里的軌道上發射3顆衛星，圍繞地球組建邊長為17萬公里的等邊三角形衛星陣列，像在太空中架了一把豎琴，宇宙中的引力波傳來，則會撥動“琴弦”，因此命名為“天琴計劃”。

太極計劃

中國太空引力波探測項目。由中國科學院實施，規劃在2033年前后發射由位于等邊三角形頂端的3顆衛星組成的引力波探測星組，這一衛星編隊將進入距地球約5000萬公里的軌道繞日運行，每顆衛星間距300萬公里。