引力波，你了解多少？

2016-10-13LIGO科学合作组织胡一鸣范锡龙

天文爱好者 2016年1期

□ 著 LIGO科学合作组织 / 译胡一鸣范锡龙

引力波，你了解多少？

□ 著 LIGO科学合作组织 / 译胡一鸣范锡龙

1.引力波是什么？

引力波是弯曲时空的波动，由宇宙中最剧烈的物理过程，如黑洞碰撞、恒星爆发乃至宇宙诞生本身所产生。1916年，阿尔伯特•爱因斯坦根据他的广义相对论，预言了引力波的存在。爱因斯坦运用数学证明：如中子星或黑洞这样的大质量天体，当它们互相绕转而做加速运动时，时空的扭曲以波动的形式向外散开，进而扰动外围的时空。这些波就是引力波，它们以光速在宇宙中传播，并携带着波源的信息以及引力的根源。

2.我们为什么要探测引力波？

探测并分析引力波所携带的信息，将会使我们用一种前所未有的方法认识宇宙，这将为我们开启一个全新的研究宇宙的窗口。纵观历史，科学家一直主要依靠电磁波段（可见光、X射线、无线电、微波等）的观测来理解和研究宇宙中的物理现象。最近几年，中微子这一亚原子粒子亦被用来研究宇宙。总而言之，每一种信息渠道都为科学家们提供了不同且互补的宇宙图景，每个新窗口的开启都会带来令人激动的新发现。

3.既然我们还没有直接探测到引力波，我们怎么确信它真的存在呢？

虽然早在1916年，爱因斯坦就预言了引力波的存在，但直到1974年，两位天文学家罗素•赫尔斯（Russell Hulse）和约瑟夫•泰勒（Joseph Taylor）发现了一对脉冲双星（两个相互绕转的中子星），才给出了引力波存在的观测证据。科学家测量了两颗星公转轨道随时间的变化，发现其与广义相对论的预言高度一致。毋庸置疑，引力波带走了这个双星系统的能量。此后，更多的类似双脉冲星系统被发现，并被观测到类似的效应，这更加确定了引力波的存在。然而，这都算不上铁证如山，只是观测到了遥远天体被幕后的引力波影响造成的效应，而不是引力波在地球所产生的物理效应。在这个意义上来说，LIGO和其他类似的引力波探测器将会第一次直接探测到引力波到达地球的效应。

4.LIGO是什么？

LIGO（Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory）是激光干涉引力波观测台的简称，是世界上最大的引力波天文台，也是世界上最精密的物理仪器之一。LIGO由两个相距数千千米的激光干涉仪组成：一个位于路易斯安那州的利文斯顿（Livingston Louisiana），一个位于华盛顿州的汉福德（Hanford Washington State）。LIGO利用光和空间本身的物理特性来探测引力波。它由美国国家科学基金会资助，由加州理工学院和麻省理工学院共同管理。来自多个国家的上百名科学家组成了LIGO科学合作组织，负责LIGO相关的仪器研制和天体物理研究。

LIGO观测站呈L型布局。图片来源：Advanced LIGO

5.LIGO是如何工作的？

像LIGO这样的干涉仪由两个相互垂直的干涉臂（LIGO的每个干涉臂长4千米）组成。每个干涉臂的一端发着激光，另一端有镜子反射激光。当有引力波经过，空间的拉伸和压缩会引起干涉臂变长或者缩短，即在一个变长的时候另一个变短。当干涉臂改变其长度时，两束激光分别沿着不同的臂传播了不同的距离，这意味着两束激光不再同步，因此干涉条纹就会出现，这也是我们称LIGO为干涉仪的原因。由于臂长的变化很小，通常来说，当引力波经过时，我们预计臂长的变化仅为质子尺寸的万分之一！幸好LIGO干涉仪非常灵敏，即使如此微小长度的变化量也可以探测到。LIGO的科学家们能够看到不同类型的引力波经过时因臂长变化而产生的不同干涉条纹。一旦他们看到这些干涉条纹，就可以确信有引力波通过了探测器！

图片来源：http://www.ligo.org

图中是在LIGO项目中作为测试质量的部件。图片来源：https:// ligo.caltech.edu

6.如果引力波拉伸了LIGO两个镜子之间的距离，难道没有同时拉伸激光的波长吗？

引力波确实会拉伸或者压缩在干涉臂中传播的激光的波长，但是干涉条纹并非由臂长与以激光波长为刻度的尺子之间的差别产生。相反，干涉条纹是由光波“波峰和波谷”在不同干涉臂里面到达时间的不同而引起的。所以，激光的作用不是尺子，而是秒表。

7.LIGO在寻找什么类型的引力波？

LIGO的科学家已确定了四种引力波，干涉仪对每一种引力波都有独一无二的响应特征。

连续引力波来自像中子星这样异常致密天体的自转过程。中子星上的任何隆起或非球对称形变都会随着自转而产生连续的引力波。

连续引力波。图片来源：Centre for Gravitational Physics/Australian National University

致密双星并合引力波是指两颗大质量致密天体的相互绕转并合，这种天体既可以是中子星，也可以是黑洞。引力波的释放会导致双星系统损失轨道能量。随着时间的推移，这两颗恒星就会越靠越近，相互绕转也越来越快，直到它们并合！这是宇宙中所发生的最剧烈的事件之一。天文学家预言，在宇宙中能被独立分辨的连续引力波波源和致密双星并合实在是少之又少，因此，我们不必担心有多个引力波会同时经过地球而产生混淆。

两个黑洞产生的引力波模拟图，图片来源：NASA/ESA/ Wikimedia。

但是，还有一种背景信号，来自于宇宙各处并互相叠加。这有点类似于在嘈杂人群中产生的嗡鸣声，我们把这种引力波称为随机引力波背景。这种引力波背景的一部分可能来自于宇宙大爆炸，对这种原初引力波的探测，能让我们掌握别的手段所探测不到的宇宙早期信息。

引力波暴是第四种引力波，这是完全未知的信号。当然，假如你连要探测什么都不知道，做起来就更是难于上青天了。然而，一旦探测到引力波暴，它本身就提供了获得宇宙中前所未知信息的最佳途径。

8.初代LIGO没有探测到引力波，这是不是出人意料？

并不尽然。在此过程中，我们详尽地研究了探测器的性质，此外，在积累数据的同时，我们还会进行所谓的“盲注”。在我们的合作组织中，一小部分人会秘密地把一个假的信号加入到探测器数据中，来测试我们是否对仪器了解地足够准确，进而能成功地把这个数据探测出来。在初代LIGO实验的一次科学运行期间，似乎探测到了一个来自大犬座的信号（所以后来这个信号被称为“大犬”），似乎是距离在60~180兆光年外的双星并合事件。我们把整个分析过程重复了很多遍，把所有的细节都详尽地检测了，最后写下了报告第一次探测的论文。到那一刻，答案才最终揭晓：这个信号是一次盲注！这的确让人有些失望，但是这也揭示了我们的准备可谓万事俱备，我们对探测器的理解足够详尽，所以可以自信地断言它们按预期运行，一切正常。

如果不算盲注，对于初代LIGO的科学运行，我们是否在期待任何探测结果呢？考虑到我们还没有准确地知道主要的事件源如何发生，或发生于何时、何地，最可能的回答是“不”。所以，初代LIGO没有探测到任何源并不稀奇。但实际上，如果没有初代LIGO，我们根本不可能看到高新激光干涉仪引力波天文台（Advanced LIGO，简称aLIGO）的出现。如果你把初代LIGO看成是概念机和新技术测试的平台，那么这个项目就是一个巨大的成功。

LIGO位于汉福德的激光和真空设备区域。图片来源：https:// ligo.caltech.edu

9.对于升级后的aLIGO探测器，我们在期待着什么？

这是个好问题！我们可以计算出不同种类的引力波源的事件发生率，但是这个计算涉及一系列复杂的物理，所以这个预测是非常不确定的。尽管如此，我们尽量小心地考虑各种因素，对不同的假设计算了“现实”、“乐观”、“悲观”事件率。（这些计算的结果发表在了一篇2010年的论文上，详见http://arxiv.org/ abs/1003.2480）。

以双中子星并合为例，初代LIGO可以在15兆秒差距（一个秒差距对应3.25光年，15兆秒差距约为50兆光年）的距离内搜寻这种信号。初代LIGO没看到任何信号，但这和我们对这些事件发生率的理解并不矛盾。另一方面，当aLIGO达到其设计灵敏度的时候，它将可以探测到远至约200兆秒差距的双中子星并合。在距离上十多倍的提升，对应于空间体积上一千多倍的增加。因而，对于工作在最佳状态的aLIGO而言，每年可以预期探测到0.4到400次双中子星并合事件，最有可能的结果是约40次一年。

图中表示了从初代LIGO到aLIGO，不断扩大的探索范围。图片来源：Caltech/ MIT/LIGO Lab

10.aLIGO探测器究竟有何不同？

aLIGO探测器在未来几年内实现设计灵敏度时，将比初代LIGO灵敏10倍，可以探测10的23次方分之一的时空拉伸，这一惊人的灵敏度将彻底重塑引力波天文学。

尽管aLIGO探测器在地理位置上与前辈同处一地，但是初代LIGO几乎在各个方面都需要升级换代，方能实现如此高的灵敏性。这些升级具体包括：

把激光功率从初代LIGO的10瓦增加到200瓦。

使用更大、更重的熔融石英光学件，以实现对热噪声和辐射压噪声的降低。这两种噪声均会使镜身产生很小的随机运动。

用熔融石英纤维将光学器件悬挂，而非初代LIGO使用的钢绳悬挂，这能减少悬挂导致的热噪声。

在悬挂系统中采用四级摆来提升光学器件的隔震。

使用“测量-抵消”策略来减小地面运动器件端的影响——我们把这种方法称为“主动”隔震。

aLIGO探测器把相关技术在关键领域中的研发成果引入实用。一批美国和全球的研究所引领了相关工作，加州理工和麻省理工（代表美国科学基金会和LIGO科学合作组织运行仪器的机构）继续与国际合作者一起，提供着关键的研发、测试和整合。

aLIGO探测器的完成和它在2015年秋的科学运行标志着一项重大的科学与工程的成果，也标志着激动人心的引力波天文学时代的开启！

关于aLIGO探测器的设计与建造详情，可参阅LIGO杂志中的第一期（http://www.ligo.org/magazine/LIGO-magazine-issue-1. pdf）及第七期（http://www.ligo.org/magazine/LIGO-magazineissue-7.pdf）。

11.在LIGO设备研制过程中有什么衍生技术或者其他意外收获吗？

测量微小位移的技术对LIGO来说至关重要，这种技术可以用来探测引力波，当然也有其他功用。以下简单列举了几个衍生技术：

LIGO光学系统需要非常小的光路损耗，这一需求催生了测量光学损耗的技术，以及一家叫“标准光-热方案”的公司（主营LIGO研制的仪器）。它主要的销售对象是基本光学和家宅安保市场。

光波电子公司建造了初代LIGO使用的激光。它现在把这种激光及其升级版推向市场，在发光二极管、电脑芯片和智能手机电路板的制备中发挥着作用。

一个典型的引力波信号在振幅和相位上类似于一个鸟鸣。LIGO开发了可以非常有效地探测此类“鸟鸣”信号的电脑程序。类似的鸟鸣信号也出现在雷达、声呐、激光脉冲和其他环境中，这些领域已开始使用LIGO的程序。

LIGO系统中的激光会加热光学元件并使其变形，减弱其在测量位置变化上的精度。这一问题称为热透镜，同样的问题也困扰着其他精密光学测量。LIGO通过可控热源对额外引入的光学器件调温来解决这一问题。这一技术现在应用于使用大功率激光系统的诸多领域：激光雷达、焊接、切割、钻孔等。

更多详情可以参阅https://advancedligo.mit.edu/。

12.有什么东西对引力波来说是不透明的？

光学上，不透明的材料会吸收光子的能量。就原理而言，这是因为材料中包含光（或者说电磁场）作用下自由运动的电荷，它们的运动会吸收光的能量。材料中电荷的数量太多时，用于传递光能量的光子就会遇到它们并被吸收。

那么，这又如何对应到引力波呢？它是否也携带着可以被吸收的能量？是的。

引力可以把能量存放在何处呢？答案就是物质。

如果物质自由漂浮，它就不会吸收引力波的能量，因此我们还需要把一个耗散力加到这个物质上。所以，如果我们有一个带有耗散力的物质可以吸收能量，它对引力波就是不透明的。那如果我们把足够多的这类物质聚集在一起，是否就可以把大部分引力都吸收了呢？实际上这非常困难：引力波和物质相互作用太弱了，所以任何一个引力子经过任何一个物质时被吸收的能量都是非常微小的。简而言之，理论上可行，实践上不靠谱。

13.引力波能告诉我们关于早期宇宙的什么信息？

对于极早期宇宙，引力波为我们提供了一个独特的视角，因为它可以“看透”宇宙微波背景辐射。你也许曾经看过那种微波背景辐射的示意图，它告诉我们在大爆炸38万年之后的宇宙是怎样的。在这之前，宇宙中充斥着炙热的离子气体（电子和原子核互相分离，自由电子随处飘荡），所以光子会被这些自由电子激烈地散射，就好像在雾天里一样，所以我们对于光子源头的信息不甚明了。宇宙诞生后不断膨胀，不断冷却，在大约38万年之后，温度降低以致气体不再支持其离子态：自由电子和质子结合形成电中性的氢原子（我们称之为复合），它就再也不能有效地散射光子了——换句话说，雾散了！对我们而言，这标志着一个新的时代：来自早期宇宙的光子可以直接自由地飞向我们，极少被散射，所以可以携带源头的信息。

另一方面，引力辐射并不在乎复合阶段，因为气体中的原子和分子，不管是否处在电离态，对引力波而言都没什么影响。这意味着复合之前的引力波依然可以不受影响地自由飞向我们，由此告诉我们更多关于极早期宇宙的历史。LIGO探测器对于这一类原初引力波并不十分敏感，但是我们可以通过别的方法搜寻它们的印记——比如说，通过观测宇宙微波背景辐射的偏振光。