http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2016-02-11
如果探测到引力波的消息被证实 将意味着什么？
示意图：两个黑洞的合并过程及其对于背景星光的扭曲形变效果
一个中央存在两个黑洞的星系
新浪科技讯 北京时间2月11日消息，在过去的近10年时间里，尽管圈子非常小，但一个全新的天文学领域的确正逐渐出现，那就是引力波天文学。和传统天文学使用天文望远镜对宇宙进行观测不同，引力波探测器使用的是激光和反射器，研究人员会让激光在两块呈直角方位的反射镜之间来回，并观察两束光波叠加时所呈现的干涉条纹特征。这正是位于美国的“激光干涉引力波天文台”（LIGO）所采用的做法。在2002年至2010年之间的运行时期，LIGO设施验证了其设计概念的可行性，随后经历了长达5年的关闭升级。直到2015年9月份，升级后的该设施被重新启用并被称作“先进LIGO”。而就在今天晚上，北京时间2月11日23：30许，先进LIGO合作组即将对外发布他们的首个重要科学成果。对此，外界普遍的猜测是：他们将要宣布首次直接探测到引力波信号的消息。如果这个消息最终结果被证实，这将意味着什么？
一个脉冲星双星系统及其产生的时空涟漪（引力波）示意图
LIGO设施工作原理图
时空中的涟漪
当爱因斯坦最早提出他的广义相对论的时候，他彻底革新了我们原先对于时间与空间的概念理解。我们此前一直认为空间是恒定而不变的，物质和能量存在于其中。但爱因斯坦的理论指出空间实际上与能量和质量之间都是相互联系的，并且随着时间推移空间也在发生变化。如果只存在一个质量物体，静止地存在于时空之中（或者处于匀速运动状态），那么它所处的时空不会发生变化。但如果你加入第二个质量物体，那么这两个物体之间就会发生相互运动，互相会向对方施加一个加速度，在这一过程中也就将造成时空结构的改变。更加重要的是，由于存在一个大质量粒子在引力场中运动，广义相对论指出这一大质量物体将会被加速，并释放一种特殊的辐射：引力辐射。
这种引力辐射与你所知的其他任何种类的辐射都不同。它会以光速穿越空间，但它本身又是空间中的涟漪。它从被加速的物体带走能量，这就意味着，如果这两个质量物体处于相互运行的轨道之中，那么随着时间推移这个轨道将会逐渐收缩，这两个质量物体之间的距离将逐渐缩短。不过不要太过担心，对于像地球围绕太阳运行这样一个系统，相对而言这两个天体的质量还太小，而两者之间的距离又非常巨大，因此在引力波耗散能量的条件下，这个轨道也将需要经过10的150次方年才会衰减崩溃，如此长的时间早已远远超过了宇宙的年龄，事实上这也远远超过了已知所有恒星的寿命！然而对于相互绕转的黑洞或中子星而言，它们之间存在的轨道衰减效应则已经被观测到了。
科学家们认为宇宙中可能还存在着我们尚未探测到的更高能的事件，如黑洞的相互合并。这类事件应该会产生某种特征信号，而这样的信号是可以被“先进LIGO”系统捕捉到的。
先进LIGO设施的引力波探测范围示意图
先进LIGO设施升级过程中，工程师正在工作
先进LIGO探测器
从本质上而言，“先进LIGO”系统采用的探测手法是相当简单而直接的，它利用了引力波辐射的本性和它最重要的性质之一。引力波会造成空间的拉伸或压缩，其频率和强度取决于形成这种引力波的天文事件所具有的一系列特征，如两个相互绕转天体各自的质量大小、它们两者之间的间距以及这一系统距离地球的远近。“先进LIGO”设施包括两条互相垂直的长臂，长度均为4公里。将一束激光用分光镜分成夹角为90度的两束，然后两束激光分别被4公里外的反射镜反射回来并发生干涉，并且这样的反射可以来回进行多次，从而大大增加激光运行的路径长度。由于频率和波长完全一致，在正常情况下，这两束激光应该是完全相同的，但是如果存在引力波作用，则会对这两束激光的波长频率产生影响，从而导致两束激光在叠加的干涉条纹上出现改变。这样的改变将能够让科学家们判断两个绕转天体各自的质量大小、它们之间的间距以及这一系统到地球之间的距离等丰富的信息。
先进LIGO包括两处设施，分别位于美国西北部（华盛顿州）以及美国东南部（路易斯安那州）。如果这两处设施均观测到同样的信号，那么我们几乎就能够肯定我们的确是观测到了引力波信号了。目前版本的LIGO系统对于质量在1倍太阳质量到数百倍太阳之间之间的两个黑洞合并过程可能产生的引力波信号最为敏感，且其探测能力可以覆盖距离地球数百万光年之外——在这样一个巨大的空间范围内，符合条件的黑洞合并事件每年都会至少发生几次。
如果今晚LIGO合作组真的如外界所传言的那样，正式宣布探测到引力波信号的消息，那么这一消息所承载的意义将远远超出其本身——这将是对爱因斯坦广义相对论的全新检验，也是人类历史上对引力辐射首次成功的直接探测。“先进LIGO”是有史以来人类建造的最先进的引力波观测设施，因此也是最有希望能够窥见真实引力波信号的地方。该项目有超过1000名顶尖科学家参与其中，因而也使其成为规模最为庞大的引力波搜寻国际合作研究项目。如果所有科学目标都能够如预期中的那样达成，那么就在今晚，我们将一起见证一个全新天文学时代的开端。
尽管这次的消息最早是由一位项目组之外的科学家劳伦斯·克劳斯（Lawrence Krauss）最先披露的，因而也引发了外界的广泛批评——因为这样的消息理应是由当事方，也就是LIGO项目合作组来负责对外发布的。但不管如何，就在今晚，如果引力波被首次直接探测到的消息能够得到证实，那么这些都将显得不再那么重要，因为我们将会因此受益良多：我们将会再次确认爱因斯坦是对的，引力辐射是真实存在的，并且黑洞的合并过程的确会产生这样的引力辐射，而更重要的是，这样的引力辐射信号是可以被从地球上探测到的。这将是一个全新的天文学领域，一个不需要望远镜的新的天文学领域，它将引领我们打开理解黑洞、中子星和其他难以采用传统方法进行观测的天体类型的全新视野。（晨风）
[新华网]
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LIGO激光干涉引力波观测站。两个方向的隧道长度为四公里。
文章来源：赛先生微信公众号
“今人不见古时月，今月曾经照古人。”13亿年前的地球充其量还只有低等生命的存在，然而那时候遥远外太空里一颗质量为29倍太阳质量的黑洞与另外一颗36倍太阳质量的黑洞缓慢地靠近了，它们相互绕转，最后碰撞并合在一起，并拨动宇宙的琴弦——发出引力波。引力波以光速传播，在走了漫长的13亿年后，如今正强烈地拨动着2016年地球人的心弦。
一百年前，爱因斯坦提出广义相对论的完整理论，把一维时间与三维空间看成是一个整体，成为一个四维的几何体。这一几何体被称为四维时空或四维流形。然而，如果把这个四维时空做一个依赖于观察者的3+1分解，就可以得到空间与时间。
爱因斯坦发现，三维空间本身是有弹性的，它会随着一维时间振动。这一振动将在整个空间激发出一种波动，类似于水面上的涟漪——爱因斯坦称这种空间的涟漪为引力波。
1919年 ，爱丁顿等人在日全食期间用光线弯曲的实验论证了爱因斯坦广义相对论是一个满足天文观测的引力理论，这一实验验证为爱因斯坦的广义相对论提供了实验依据，也成为科学史上的大事件。此后，陆续有验证爱因斯坦广义相对论的实验推出，但这些实验都没有超出太阳系的尺度，因此局限在宇宙的一隅，犹如坐井观天。而且所有以前的实验，只观察到一个固定的弯曲空间，没有一个实验看到弯曲空间的波动。
终于，97年后的今天，一个更震撼人心的实验结果将要出现。美国当地时间2月11日上午10点30分(北京时间2月11日23点30分)，美国国家自然科学基金会将携加州理工、麻省理工和LIGO科学合作组织(LSC)的专家向全世界宣布，美国的LIGO(激光干涉引力波观测站)首次直接探测到了引力波，其波源来自13亿光年之外的遥远宇宙空间，由两个黑洞碰撞并合所引发，这显然是在宇宙尺度上对爱因斯坦广义相对论进行检测与判断的一个重要实验。
此前，人类从未直接探测到引力波，科学家仅通过对一个双星系统的观测——两颗双中子星相互围绕着对方公转——得到了引力波存在的间接证据，并获得了1993年的诺贝尔物理学奖。此后，人们一直孜孜以求，科学界也有多种探测引力波的方法和设备，但一直无所斩获，直到去年LIGO升级后(注：LIGO于2001年正式投入观测，2010年关闭，开始进行升级改造。升级后的LIGO于2015年9月18日重新开机运行，预计2019-2020年完成全部升级改造)，事情开始有了眉目。
一场有准备之战
北京师范大学天文系主任朱宗宏教授是研究引力波的专家，曾在日本国立天文台的引力波探测项目TAMA300工作多年(那是一架臂长为300米的激光干涉仪)，目前参加日本后续项目KAGRA(这是位于神冈的臂长为3200米的大型低温激光干涉仪，项目负责人是2015年诺贝尔物理学奖得主梶田隆章(Takaaki Kajita))。
朱宗宏告诉《赛先生》，2015年年初他访问加州理工学院陈雁北教授(参与LIGO项目的资深专家)时，曾与他共同商讨在北京举办大型国际引力波活动The NextDetectors for Gravitational Wave Astronomy(参见2015年12月出版的《中国科学》英文版)，当时就发现加州理工学院的专家们已经开始专门开会商量LIGO发现引力波后的应对策略了。
朱宗宏说，在LIGO还没有升级改造的时候，LIGO高层主管在数据分析科学家不知情的情况下，输入了一个约6000万光年之外的两颗中子星碰撞并合的模拟信号，数据分析科学家们从引力波信号波形的分析找到了这个事件——这说明在LIGO升级之前，引力波信号波形的分析技术已经成熟——此路可以走通，这无疑是一个巨大的鼓舞。
(a)图是通过数值求解爱因斯坦方程得到的双黑洞轨道演化。图中显示的是两个黑洞不同时刻的(x，y)坐标。 它们的初始位置分别在(0，3)和(0，-3)。 (b)图是数值计算所得到的引力波波形。
但这远远不够。朱宗宏介绍说：“初期LIGO的精度是10的-22次方量级，对于4000米的干涉臂来说，相当于可以检测出千分之一质子大小的距离变化，这个精度是相当高的(注：质子的大小是10的-15次方米)。”2015年9月，升级后的LIGO精度进一步提高到了10的-23次方量级，相当于可以检测出万分之一质子大小的距离变化。
除了精度问题，朱宗宏还透露，根据科学家们的估计，在LIGO升级改造之前，它一年能够测到0.0002到0.2次双中子星并合信号，或者0.0002到0.5次双黑洞并合信号；而在LIGO升级改造之后，它一年就能测到0.4到400次双中子星并合信号，或者0.4到1000次双黑洞并合信号了。所以就双黑洞并合信号而言，保守估计是两年半看到一次，乐观估计则是一天就能看到3次！所以说，正在升级中的advanced LIGO初试锋芒就探测到信号，可说是非常幸运，也可以说是非常正常！
朱宗宏表示，美国在LIGO实验上的项目经验值得借鉴：LIGO的激光干涉仪为什么有两台，每台臂长为什么要4000米，这两台之间的距离多少为最优，如何制作减震系统，如何加大激光器的功率等等这些问题都经过了前期精心测算。因为“在大科学实验中，不能打无准备的仗”。
LIGO何以探测到引力波
根据现在已有的消息，造成此次探测到的引力波是两个分别为29倍太阳质量与36倍太阳质量的黑洞并和形成一个62倍太阳质量的黑洞所形成的。也许你会问，合并后的黑洞为什么损失了3个太阳质量？
原来，在两个黑洞相互接近绕转的过程中，根据广义相对论的数学物理推导，这是一个随时间变化的四极矩，因此会不断朝外辐射引力波，而引力波的辐射会把两个黑洞之间的引力势能降低，所以两个黑洞的距离会变小。这是一个典型的正反馈过程，随着两个黑洞的距离变小，它们之间相互绕转的频率会变得更快，就好像是在舞池上的两个芭蕾舞演员，最后他们会抱在一起——这就是两个黑洞碰撞并合在了一起，这一过程会放出大量的引力波能量，损失的那3个太阳质量就是变成引力波辐射出去的。
这一辐射的能量有多大，通过爱因斯坦的著名质能方程E=MC2计算可知，这相当于数以亿亿亿亿计的原子弹同时爆炸，其威力相当惊人，整个空间都在颤动。这一颤动也在13亿年后传到了地球——这就是目前LIGO探测到的引力波。
引力波信号传递到地球以后，其在激光干涉仪的接受器上会形成一个电子信号，这个电子信号在模数转换后在终端电脑上表现为一个“引力波信号波形”。对这一波形的处理堪称技术性难题，而科学家需要从波形里读出很多信息：黑洞并合所花费的时间、并合后黑洞的质量、并合后黑洞的自转角动量、黑洞并合事发现场距离地球的距离。(注：详细信息可见加州理工学院的引力波专家基普·索恩所著的《星际穿越中的物理学》英文版的16章，本书也有中文版。)
《赛先生》了解到，LIGO这次对引力波信号波形的分析足足花了几个月的时间。
并合后的黑洞角动量有多大
对上述技术性难题中的黑洞角动量问题，国家天文台研究员苟利军告诉《赛先生》：“一般黑洞是旋转的，我们称之为克尔黑洞。克尔黑洞的角动量可以通过围绕其公转的粒子的最内稳定轨道来推定，最内稳定轨道的半径与克尔黑洞的角动量之间存在一条巴丁对应曲线(注：这位巴丁的父亲是超导BCS理论中的B，其父亲得过两次诺贝尔奖)。由这一对应曲线，我们可以知道克尔黑洞的角动量，这是对传统黑洞的角动量的经典研究方法，对于目前LIGO探测到的合并后的黑洞的角动量，则需要从引力波信号波形中进行提取。”
目前有多方信息源向《赛先生》表示，LIGO目前探测到的引力波揭示出合并后的62个太阳质量的黑洞具有中等数值的自转角动量。这一自转角动量用无量纲数a*来表示，当a*为0的时候表示黑洞不发生自转，而a*等于1的时候表示黑洞是一个极端黑洞(不能转得更快了，否则就会出现裸奇点)。
期待更多“零”的突破
现在，距离LIGO发现引力波的新闻发布会还有不到24小时，届时将有更多信息和数据披露出来，世界各地的天文学家都在翘首等待这一相对论大革命事件的确证。
不同的引力波探测器对应的不同引力波频段
作为首次被探测到的引力波，这次的波源是双黑洞并合所引发，这种引力波的典型频率在1赫兹到100赫兹之间。但是，就公开发表的情况来看，对于其他频段的引力波的测量目前还没有实现“零”的突破，比如10的-16次方赫兹左右的原初引力波会在宇宙微波背景上产生所谓B模式，而用脉冲星计时阵探测的10的-9次方赫兹左右的双超大质量黑洞的引力波也是科学家们关心的物理过程。这些频率的引力波探测都还需要后续进一步的工作去完成。
发现引力波可以与100多年前发现电磁波的事件相提并论。很明显，电磁波已经改变了我们人类社会的面貌，从手机信号到微波炉，从WIFI到GPS，电磁波带来了人类文明的曙光。
在电磁波被发现100多年以后的今天，引力波被找到了。它是唯一可以在高维时空中传递的波，这点与电磁波完全不同，对引力波的深入研究可以带给我们对大尺度时空结构信息的全面深入了解。同时，毫无疑问的是，引力波的穿透能力比中微子还要强，它也许真能像科幻小说《三体》中描述的那样，被人类用于星际通讯领域。(作者：张轩中)
(感谢潘颖女士为本文提供采访和写作上的帮助；感谢曹周键老师供图，图片版权属于《现代物理知识》，作者获授权使用)
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