人类“听到”了引力波

陈孝良

人类首次直接探测到了引力波！这一消息近日“引燃”媒体。几乎所有人都在追问：到底什么是引力波？引力波有什么作用？尽管很多文章试图用通俗易懂的语言解释，但结果还是差强人意。比如这样的解释：引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动，如同石头丢进水里产生的波纹一样，引力波被视为宇宙中的“时空涟漪”；又或这样的解释：引力波是一种与电磁波不同的辐射，无法通过电磁辐射直接观测。引力波与宇宙中物质的相互作用是非常微弱的，因此可以传播至很远的宇宙空间……

与其描述得如此复杂，不如做个简单的联想。在美国哥伦比亚大学物理学教授绍博尔齐·马尔卡看来，人类此前的天文学发现都好似用“眼睛”看，而引力波的发现意味着人类长了“耳朵”。以前人类探测宇宙依靠的是光波和电磁波，现在有了光速传播的“声音”，人类自然就能获取更丰富的宇宙信息。这个比喻并不是空穴来风，事实上，引力波不仅具备视觉探测所不能及的信息，而且其探测装置与人的听觉系统还有异曲同工之妙。

来自宇宙的两声“轻敲”

激光干涉引力波天文台（LIGO）由分别建在美国路易斯安那州的利文斯顿和华盛顿州的汉福德的两台引力波探测器构成。美国东部时间2015年9月14日5时51分，位于利文斯顿的探测器首先传出撞击声，7毫秒后，汉福德的探测器也传出撞击声。这意味着有引力波传到了地球。

奇怪，怎么会是“撞击声”呢？我们先看一下LIGO的GW150914引力波信号。图1是LIGO利文斯顿（中）和汉福德（上）探测器所观测（预测）到的GW150914引力波信号，合成图像（下）显示两个探测器观测到的变化几乎完全一致。注意，这个信号实际上是引力波引起的激光干涉应变随时间和频率的变化，而并非引力波本身。

图2显示了GW150914的频率在0.2秒内从35赫兹迅速增加到150赫兹，时间相差7毫秒，这个时间差与光或者引力波在两个探测器之间传播的时间一致。35赫兹到150赫兹，这个频段实际上是人类可听到的低频声音，所以才会在激光干涉探测中产生类似撞击的声音。LIGO给出了这个信号片段，有兴趣的读者可以加入声学在线微信公众号（soundonline）来试听一下。但是，如果您只能用手机喇叭和耳机播放，就别再尝试了，因为这个频段普通手机喇叭和耳机是很难播放出来的，需要接到一个专业音响系统中，那样才能倾听来自宇宙的“撞击声”，体会人类首次探测到引力波的欣喜之情！

地球上的两只“巨耳”

引力波穿透力相当强，宇宙中几乎没有什么可以阻挡，但这也是它的弱点，其信号又是如此微弱，因此就连爱因斯坦都觉得几乎不可能探测到这种信号。为探测引力波，美国国家自然科学基金会于20世纪90年代建造了激光干涉引力波天文台，分别位于利文斯顿和汉福德（图3和图4），每个探测器都有两个长达4千米的测量臂，呈L型排列。

为什么要用两个探测器同时探测呢？事实上，一个探测器利用两个超长的垂直激光臂就能探测到引力波引起的应变，但却无法测定引力波的来源方向。这和人类的双耳模型有点儿类似。如果我们堵住一只耳朵，用另一只耳朵也能听到声音，但却无法分辨声音的来源。人类利用双耳定位的能力非常重要，如果一只耳朵出现听力下降，这可能会影响到人类的平衡能力，并有恶心眩晕的现象发生。因此，只靠一个引力波探测器还无法确定发现的引力波事件及其方位。LIGO的两个激光干涉引力波探测器类似于人类双耳模型，通过引力波信号到达不同探测器的时间差和其信号的强弱，来确定引力波信号的空间位置。这种方法在声学上通常定义为ITD（双耳时间差）和ILD（双耳声级差），也是人类获取声音方位信息的主要参考。

这样看来，LIGO的两个激光干涉引力波探测器，就像安装在地球上的两只巨大“耳朵”，试图倾听来自宇宙最深处的“声音”。LIGO此次真是非常幸运，刚刚升级完毕就听到了足以让全世界物理学家兴奋的“声音”。尽管这次实验仍然需要很长时间再次验证，而且诺贝尔奖也需要等待验证的结果。但不管怎样，这两只“耳朵”已经开启了人类探测宇宙新的篇章。LIGO的雄心显然不满足于这次重大发现，其全球布局的“耳朵”还在建设。一旦这个“耳朵”大阵列运转起来，人类对于宇宙的探测将从此迈上新的高度。

探测引力波的四种方法

从目前来看，引力波探测主要有四种方法。

第一种方法试图利用宇宙微波背景辐射直接探测原初引力波信号。原初引力波主要来源于宇宙大爆炸，其波长极大，频率极低。2014年，一个研究团队宣布，他们利用架设在南极的专业望远镜BICEP2探测到原初引力波，在当时曾引起轰动，但是后来探测结果因无法排除银河系自身的干扰而被否定。

第二种方法探测的频率稍高一些，大概在亿分之一赫兹到百万分之一赫兹之间，主要是利用若干精确校准的毫秒脉冲星作为校准光源，采用地面射电望远镜进行探测，这种引力波信号主要来源于大质量黑洞的合并。

第三种方法探测的引力波信号大概在百万分之一赫兹到几赫兹之间，主要利用太空中若干卫星组成的光学干涉空间阵列（LISA）进行探测，这种引力波信号来源主要是质量小些的黑洞合并、白矮双星合并等事件。目前欧洲已经发射了首颗卫星，我国的天琴卫星也正在筹划发射之中。

第四种方法就是此次取得重大发现的地面长距离激光干涉阵列探测方法，主要探测几赫兹到几千赫兹的引力波，其信号来源主要是中子星、恒星级黑洞等致密天体组成的双星合并事件。

这四种方法探测的引力波信号来源不同，频段不同，科学目的自然也不同。因此LIGO这次地面探测到引力波，与我国计划实施的天琴计划和太极计划并不冲突。