2016年2月12日，位于美國路易斯安那州的列文斯頓和華盛頓州的漢福德的兩個激光干涉引力波觀測站（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，縮寫為LIGO）幾乎同時探測到了來自于十幾億年前由兩個黑洞并和產生的引力波，震動世界！這是人類第一次直接探測到引力波，證實了愛因斯坦引力理論的最后一項預言，可謂一項里程碑式的發(fā)現(xiàn)，與此同時，也開啟了引力波實驗的新紀元！

華盛頓州的LIGO

引力波的探測

整整100年前，愛因斯坦寫下的廣義相對論預言了引力波的存在，任何對時空的擾動都會以波動的方式傳播，被其他物質所感知。事實上，今天我們知道任何相對論性的引力理論都預言了引力波的存在。

探測引力波有多種方法，大致來說可歸于直接探測和間接測量。此前通過對脈沖雙星系統(tǒng)（就是兩個離的很近的互相緊密環(huán)繞、快速旋轉的致密天體）數(shù)十年如一日的觀測，人們已經間接探測到了引力波。天文學家通過射電望遠鏡發(fā)現(xiàn)，致密雙星系統(tǒng)隨著時間推移慢慢地在損失能量，既然沒有什么其他已知的方式從這個系統(tǒng)中帶走能量。我們知道對這個系統(tǒng)來說能量應該是守恒不變的，那么能量會以什么形式損耗又傳播出去呢？結果發(fā)現(xiàn)，愛因斯坦廣義相對論預言的引力輻射帶走的能量與脈沖雙星系統(tǒng)損失能量一致！這個工作也獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。但是這畢竟還是間接的探測。對引力波的直接探測，打開引力波研究宇宙的大門，一直是很多科學家數(shù)十年來孜孜不倦畢生追求的夢想。

引力波的直接探測指的是觀測到引力波對物質的直接作用。比如說，兩個黑洞圍繞著彼此相互旋轉，越轉越快、越靠越近最后并合成一個黑洞——這是天文學家預測一定在宇宙中大量存在，但是多年來苦于沒有辦法通過觀測證實的天體演化過程。一旦宇宙中發(fā)生了類似劇烈的極端天體過程，就產生了引力波信號，就好比大功率擴音喇叭在宇宙的某個角落喊一嗓子，這種時空的“震蕩”會以引力波的形式在宇宙間幾乎毫無阻力地傳播擴散，慢慢隨著距離變大，這種信號的強度越來越弱。你可以想象平靜的湖面突然墜入一顆石子激起的漣漪蕩漾在湖面，慢慢傳播開來又回復平靜。

如果離地球足夠的近，我們就可以用“引力波天線”接受這些訊號，波動的強度，持續(xù)時間，波動的模式、形態(tài)，傳播的速度，等等這些比較容易想象得到，可是測量起來卻萬分艱難的物理量——原因很簡單，引力波的信號實在是太微弱了。

探測引力波，最期待的就是在你的“身邊”爆發(fā)一個“大事件”——像雙黑洞最后并合的那一瞬間?？墒沁@種事件別說發(fā)生在“身邊”了，就連發(fā)生在百萬光年內都是奢望。比如這次LIGO實驗抓住的引力波事件，發(fā)生在十幾億光年遠的遙遠宇宙深處。距離遠十倍，引力波信號就會減弱100倍，可見探測的艱難。如果說400年前當伽里略第一次將親手制作的望遠鏡指向夜空的時候，人類開始用眼睛欣賞宇宙的瑰美，那么今天LIGO直接對引力波的探測，可以說我們學會了聆聽宇宙的第一個音符。

從聆聽宇宙第一個音符到華美的交響樂章

就像地球上時不時發(fā)生地震一樣，這些大大小小、“不同震級”的各種引力波震蕩在宇宙中，只要我們有一臺好的“地震儀”就能探測到這些微乎其微的震蕩。科學家們針對不同頻率的引力波信號源，建造了不同的引力波接收器，大致可以分為三類。

首先來講講這次宣布首次探測到引力波的LIGO科學合作組，它是地面激光干涉手段探測引力波的主要代表實驗，目標是幾十到幾千赫茲的高頻段，主要的引力波信號源是中子星、恒星級黑洞等致密天體組成的雙星系統(tǒng)并合過程。探測手段就是地面數(shù)公里的激光干涉裝置。LIGO經過二十余年的發(fā)展，利用長達3千米的兩個互相垂直的探測臂首次探測到了引力波信號。

對于超大質量黑洞并合時發(fā)出的引力波，對應的頻率在百萬分之一到億分之一赫茲。這種事件往往發(fā)生在星系與星系相撞的后期，星系中心數(shù)百萬到數(shù)億太陽質量的巨大黑洞在最后階段的撞擊并合發(fā)出浩瀚的引力波信號，可是我們能建造的探測器太小了，哪怕把整個太陽系都當成探測器都無法測量。于是人們想出利用校準后的毫秒脈沖星來作為探測器！

毫秒脈沖星是自轉極快的帶強烈磁場的中子星，顧名思義，脈沖之間的時間間隔就像鐘擺來回一個擺動的時間一樣可以作為一個記錄時間的標尺，這種自然界天然的時鐘精度可以達到原子鐘的級別！實際上很多國家已經開始發(fā)展利用這種脈沖星作為星際旅行的定位參照和導航等。若干這樣精確校準的毫秒脈沖星在宇宙中排成校準源的一個龐大陣列，天文學家利用地面上的大型地面射電望遠鏡作為探測器監(jiān)視著宇宙中可能經過的時空漣漪——尋找大質量黑洞并合時發(fā)出的引力波。

帶電粒子沿著脈沖星的磁場磁力線(藍色)運動

引力波的頻率提升到十萬分之一到一赫茲，對應的信號來源通常為質量更小一些的大質量黑洞并合過程的后期，銀河系內的白矮雙星系統(tǒng)等。這類引力波信號可通過空間衛(wèi)星陣列來探測。著名的LISA(光學干涉空間陣列)作為歐洲空間局批準的大型空間實驗衛(wèi)星項目，將為實現(xiàn)這個目標再努力二十年左右，計劃2035年左右上天開始收集數(shù)據(jù)。其首顆技術驗證星LISA pathfinder去年年底剛剛由歐洲空間局送上太空，目前為止運行良好。

我國也正在開展由中山大學領導的、雄心勃勃的“天琴計劃”，這是我國正在規(guī)劃中的空間引力波探測國際合作項目，是我國放眼基礎科學前沿的一次重要嘗試。

天琴計劃與LIGO類似，“天琴計劃”主要將分四階段實施：第一階段完成月球/衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)、大型激光陀螺儀等天琴計劃地面輔助設施；第二階段完成無拖曳控制、星載激光干涉儀等關鍵技術驗證，以及空間等效原理實驗檢驗；第三階段完成高精度慣性傳感、星間激光測距等關鍵技術驗證，以及全球重力場測量；第四階段完成所有空間引力波探測所需的關鍵技術，發(fā)射三顆地球高軌衛(wèi)星進行引力波探測。完成全部四個子計劃，大約需要二十年的時間，投資大約150億元人民幣。