引力波天文學的新浪潮

編譯 喬琦

2015年，人類首次探測到了黑洞碰撞產生的時空漣漪。現在，天體物理學家把搜尋目光轉向了大爆炸本身產生的波。

2015年，人類首次探測到了黑洞碰撞產生的時空漣漪。現在，天體物理學家把搜尋目光轉向了大爆炸本身產生的波。

Lisa探測器藝術家想象圖。Lisa探測器是目前正在籌備中的空間引力波天文臺，共由3個部分組成，各部分相距數百萬千米，通過激光互相傳遞信號。圖中展示的是其中一部分

科學家認為，大約在大爆炸開始之后一百億億億億分之一秒時，宇宙經歷了一段雖然短暫但非常劇烈的快速膨脹時期。這一現在被稱為“暴脹”的事件，實在是太過猛烈，以致空間與時間的結構都產生了劇烈震動，同時釋放出引力波。與之相比，6 年前，人類探測到的引力波雖然引發了轟動，但其源頭——黑洞碰撞事件只能算是小巫見大巫。不過，現在，歐洲空間局的科學家已經把目光投向更宏大的目標。他們期望，不久之后就能使用人類歷史上最大的探測器，在暴脹發生近140 億年后，探測到發生在宇宙嬰兒時期的這一事件的微弱回響。歐洲空間局目前正在規劃的這座引力波天文臺，在空間中的跨度千百倍于地球。這座天文臺在正式投入使用之后，會漂浮在空間中，搜尋各種由劇烈天體物理學震動事件產生的時空晃動，也即引力波。

人類認證的第一個引力波事件是由激光干涉引力波天文臺（LIGO）在2015 年發現的。這一國際項目的3 位主要成員也憑借這一發現獲得了2017年諾貝爾物理學獎。LIGO 由兩部分別位于美國華盛頓州和路易斯安那州的巨型探測器組成。每部探測器都使用了兩條長2.5 英里（4 千米）且互成直角的隧道，也就是探測器的雙臂。激光會沿著隧道一路傳播，在碰到盡頭的鏡子后反彈回來。雙臂反彈后產生的光波會互相干涉。引力波經過時，會非常輕微地讓時空收縮或伸展。由于這一現象對探測器雙臂的影響有差異，光波的同步性就會發生變化，它們的干涉結果也會隨之改變。

LIGO 并不孤單。位于意大利的室女座干涉儀（Virgo）在2015 年圣誕節探測到第二個引力波事件，并且隨后得到聯合認證。2020 年早些時候，日本的“神岡”引力波探測器也已經開始工作。印度和中國也計劃建造類似的引力波探測器。

到目前為止，我們探測到的大部分引力波事件都是由兩黑洞碰撞引起的。而黑洞的前身則是那些質量比我們的太陽大上許多倍的恒星。它們在把所有“燃料”燒光后，便在自身引力的作用下坍縮，最后形成黑洞。按照愛因斯坦的廣義相對論——引力是質量引起的時空扭曲——坍縮會不斷持續下去，直到再也沒有留下任何東西，只剩下一個密度幾乎是無窮大的“奇點”為止。奇點會產生無比強大的引力場，連光都無法逃脫。

兩個黑洞發生了碰撞——這一事件由激光干涉引力波天文臺（LIGO）率先探測到——上圖展示的是計算機模擬產生的靜態照片

位于弗吉尼亞的美國國家射電天文臺格林班克望遠鏡（GBT）也是納赫茲引力波天文臺項目的一部分

如果兩個黑洞都進入對方的引力范圍，那么它們就會相互繞轉，同時逐漸靠近，最后合并到一起。早在一個多世紀之前，廣義相對論就預言，這類事件會釋放出向整個宇宙蕩漾開去的引力波。不過，在LIGO 探測到引力波之前，人們始終沒有找到引力波存在的直接證據。其他極端天體物理學事件也會產生引力波，比如中子星合并。中子星的前身，就是一些質量同樣很大但小于黑洞的恒星。它們在燒光燃料后也發生了坍縮。與黑洞不同的是，它們的坍縮更早停止。最終留下的這個天體密度非常高，一小點物質就相當于5 000萬頭大象的質量，這就是中子星。

引力波也可以由龐大得多的天體產生。在我們銀河系的中心，以及其他許多星系的中心，都隱匿著一個超大質量黑洞。這種天體的質量是我們太陽的幾百萬倍，由恒星、宇宙氣體和塵埃云坍縮形成。物體以螺旋形式掉入這些超大質量黑洞時也會產生引力波，只不過，相比LIGO 和Virgo 探測到的那些小黑洞合并產生的引力波，前者的頻率更低、波長更長。

地面上的探測器不可能探測到超大質量黑洞產生的引力波——這就像是想在龍蝦鍋里抓到鯨一樣。要想探測到這類引力波，干涉探測器就需要很長很長的臂，比LIGO 和Virgo 的要長得多得多。這個問題很棘手，因為每條臂不僅要很長，而且還要臂內的隧道筆直、空曠、完全沒有振動，這在地球上很難實現。于是，研究者就轉而計劃在空間建造低頻引力波探測器。其中最先進的當屬歐洲空間局現在正在打造的激光干涉空間天線（Lisa）。

Lisa 由3 個航天器構成，每個航天器能都發出激光束，并且內部都設有一面可以自由漂浮的鏡子。激光束在打到另兩個航天器內的鏡子時就會反彈回來，這樣就得到一種類似LIGO 的L 型雙臂結構。不過，Lisa的雙臂并不一定呈直角，相反，它的3 個航天器構成了一個三角形，3 個航天器就是三角形的三個頂點，互相之間相距數百萬英里。整個陣列沿地球軌道運行，且與地球保持大約3 000萬英里的距離。

2015 年，為了測試在空間中形成激光干涉的可行性，歐洲空間局發射了名為“激光干涉空間天線開路者”的先鋒探測器——這部航天器會在空間進行小規模測試。2017 年，這項任務順利完成。負責這項任務的項目科學家、歐洲空間局保羅?麥克納馬拉（Paul McNamara）說：“令我們大吃一驚，‘開路者’號運行第一天就達到我們的要求，沒有任何調整，什么都沒做。”這項任務證明，懸浮在航天器中的鏡子可以不可思議地穩定，晃動不超過一個原子大小的千分之一。為了保持鏡子穩定，航天器會自主產生一點點推力以抵消太陽光對鏡子產生的力。

麥克納馬拉表示：“換句話說，我們的航天器在空間會比新冠病毒大小的東西在地球上還要穩定?！边@種高度穩定性正是Lisa 需要的，因為它的探測目標是低頻引力波引起的極微小臂長變化——具體來說，就是100 萬英里的長度上出現了大約一個原子直徑1/10 的變化。

不過，Lisa 正式升空至少在10 年之后。麥克納馬拉說：“我們要打造3部航天器，每一部都要搭載很多儀器；耗時會很長——這是在實施非常復雜的項目時必須要面對的不幸事實之一?！盠isa 項目的下一個里程碑應該是官方的“項目實施”，預計在2024 年?！皩脮r，我們就會知道任務的具體細節，其中包括歐洲空間局參與這個項目的成員國、美國在項目中的作用以及項目預算?！奔s翰霍普金斯大學天體物理學家埃馬努埃萊?貝蒂（Emanuele Berti）說。

中國和日本正處于籌備類似的空間引力波探測器項目的起步階段。麥克納馬拉并不認為這是一種競爭，而是一件好事——因為有了多部探測器之后，就可能憑借三角視差法精確定位引力波的源頭。

貝蒂說：“Lisa 會讓引力波天文學發生翻天覆地的變化，就像探測范圍超越可見光（射電波、X 射線等）徹底改變了普通天文學一樣；它能找出各種引力波源頭?！彼€表示，通過研究超大質量黑洞合并現象，“我們希望了解更多有關宇宙結構形成以及引力本身方面的知識”。此外，如果Lisa 真的探測到宇宙在大爆炸之初暴脹時期產生的“原初”引力波，那就可以檢驗各種有關萬物之始的理論。

或許還有其他方法能夠探測到低頻引力波，而且這個方法甚至不需要專門建造探測器。一個名叫“北美納赫茲引力波天文臺”的合作項目正在利用全球射電望遠鏡網絡的觀測結果尋找引力波對“宇宙時鐘”脈沖星計時效果的影響。

脈沖星是快速自轉的中子星，兩極會釋放出高密度射電波。這些射電波像燈塔發出的光束一樣掃過整個天空。脈沖星釋放的這類信號非常有規律和可預測。但是，田納西范德比爾特大學的納赫茲引力波天文臺項目成員斯蒂芬?泰勒（Stephen Taylor）說：“如果脈沖星與地球之間有引力波經過，那么脈沖星與地球之間的時空就會變形，導致脈沖星釋放的脈沖抵達地球的時間提前或推遲。”

從效果上說，脈沖星自身就是探測器?？屏_拉多大學博爾德分校的納赫茲引力波天文臺項目成員朱利?科莫福德（Julie Comerford）說，這部“探測器”的臂長就是脈沖星與地球間的距離：可以長達成千上萬光年。由于空間跨度極大，納赫茲引力波天文臺探測到的信號波長很長，頻率很低，甚至超過了Lisa的探測范圍以及質量數十億倍于太陽的特大質量黑洞所在星系碰撞、合并時釋放的引力波。泰勒表示，這是其他任何探測器都無法企及的領域。雖然特大質量黑洞所在星系的碰撞、合并事件無疑是不可想象的災難，但實際上，這類事件在宇宙中相當常見，而納赫茲引力波天文臺就能探測到這類事件產生的某種躁動?？颇５抡f：“整個宇宙中，有很多對互相繞轉并釋放引力波的超大質量黑洞，這些漣漪匯聚成引力波的海洋，我們在其中漂泊?！?/p>

2021 年1 月，科莫福德的博士后研究員約瑟夫?西蒙（Joseph Simon）在科羅拉多領導的納赫茲引力波天文臺團隊率先報告，可能探測到了這種引力波背景。雖然仍需進一步確認他們探測到的信號確實由引力波引起，但科莫福德稱這一結果是“過去幾年中，我見過的最令人興奮的天體物理學發現”。

如果說，納赫茲引力波天文臺項目相當于使用了一部大小以光年計的引力波探測器，那么倫敦大學學院物理學家索加托?博斯（Sougato Bose）認為，我們也可以建造一個小到能塞到櫥柜里的探測器。他這個想法的基礎是量子理論的最古老效應之一。我們可以讓量子物體進入一種所謂的“疊加”狀態，即其特性在測量之前不確定，可能出現多種測量結果。

量子科學家可以慣常地將原子置于量子疊加態下。但對于像足球這樣的大型物體，疊加態這種奇怪的現象就消失了；無論我們有沒有觀察它，它都會在那里或這里。就我們目前所知，這么大的物體不是不可能進入疊加態，而是它們維持疊加態的時間實在太短，完全無法探測到，因為物體與環境間的相互作用會輕易破壞疊加態。

博斯及其同事認為，如果我們能讓大小介于原子和足球之間的物體（直徑大約100 納米左右，大致相當于大型病毒粒子的微小晶體）進入量子疊加態，那么由于這種狀態相當不穩定，對經過的引力波會很敏感。實際上，量子疊加中的兩種可能狀態可以像兩道光波一樣發生干涉，引力波引起的時空扭曲會改變這類干涉效果。

倫敦大學學院物理學家索加托?博斯，他領導的科研團隊計劃在實驗上實現量子引力

博斯認為，將金剛石納米晶體存放在比外太空還空曠的真空中，然后再冷卻到接近絕對零度的溫度，就能讓它維持疊加態足夠長的時間，以完成上述目標。這當然不是輕而易舉的事，但博斯表示，所有技術挑戰都已經單獨證明——這是把它們全都拼合到一起的問題?！爸灰凶銐虻馁Y金支持，大約10 年后就能實現這個目標，我看不到有什么明顯的障礙?！辈┧拐f。

如果這些或其他發展能夠讓引力波天文學迎來繁榮，我們會看到什么結果？“每當我們打開一扇觀測宇宙的新窗戶，通常都會看到一些意料之外的現象。”麥克納馬拉說。除了觀測到我們已經知曉會產生引力波的那類事件之外，我們還很有可能探測到一些無法輕易解釋的信號。麥克納馬拉說：“那個時候就是樂趣的起點。”