2016年2月12日，位于美國(guó)路易斯安那州的列文斯頓和華盛頓州的漢福德的兩個(gè)激光干涉引力波觀測(cè)站（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，縮寫為L(zhǎng)IGO）幾乎同時(shí)探測(cè)到了來(lái)自于十幾億年前由兩個(gè)黑洞并和產(chǎn)生的引力波，震動(dòng)世界！這是人類第一次直接探測(cè)到引力波，證實(shí)了愛因斯坦引力理論的最后一項(xiàng)預(yù)言，可謂一項(xiàng)里程碑式的發(fā)現(xiàn)，與此同時(shí)，也開啟了引力波實(shí)驗(yàn)的新紀(jì)元！

華盛頓州的LIGO

引力波的探測(cè)

整整100年前，愛因斯坦寫下的廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在，任何對(duì)時(shí)空的擾動(dòng)都會(huì)以波動(dòng)的方式傳播，被其他物質(zhì)所感知。事實(shí)上，今天我們知道任何相對(duì)論性的引力理論都預(yù)言了引力波的存在。

探測(cè)引力波有多種方法，大致來(lái)說(shuō)可歸于直接探測(cè)和間接測(cè)量。此前通過(guò)對(duì)脈沖雙星系統(tǒng)（就是兩個(gè)離的很近的互相緊密環(huán)繞、快速旋轉(zhuǎn)的致密天體）數(shù)十年如一日的觀測(cè)，人們已經(jīng)間接探測(cè)到了引力波。天文學(xué)家通過(guò)射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，致密雙星系統(tǒng)隨著時(shí)間推移慢慢地在損失能量，既然沒(méi)有什么其他已知的方式從這個(gè)系統(tǒng)中帶走能量。我們知道對(duì)這個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)能量應(yīng)該是守恒不變的，那么能量會(huì)以什么形式損耗又傳播出去呢？結(jié)果發(fā)現(xiàn)，愛因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)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(gè)工作也獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但是這畢竟還是間接的探測(cè)。對(duì)引力波的直接探測(cè)，打開引力波研究宇宙的大門，一直是很多科學(xué)家數(shù)十年來(lái)孜孜不倦畢生追求的夢(mèng)想。

引力波的直接探測(cè)指的是觀測(cè)到引力波對(duì)物質(zhì)的直接作用。比如說(shuō)，兩個(gè)黑洞圍繞著彼此相互旋轉(zhuǎn)，越轉(zhuǎn)越快、越靠越近最后并合成一個(gè)黑洞——這是天文學(xué)家預(yù)測(cè)一定在宇宙中大量存在，但是多年來(lái)苦于沒(méi)有辦法通過(guò)觀測(cè)證實(shí)的天體演化過(guò)程。一旦宇宙中發(fā)生了類似劇烈的極端天體過(guò)程，就產(chǎn)生了引力波信號(hào)，就好比大功率擴(kuò)音喇叭在宇宙的某個(gè)角落喊一嗓子，這種時(shí)空的“震蕩”會(huì)以引力波的形式在宇宙間幾乎毫無(wú)阻力地傳播擴(kuò)散，慢慢隨著距離變大，這種信號(hào)的強(qiáng)度越來(lái)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(lái)又回復(fù)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(hào)，波動(dòng)的強(qiáng)度，持續(xù)時(shí)間，波動(dòng)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(cè)量起來(lái)卻萬(wàn)分艱難的物理量——原因很簡(jiǎn)單，引力波的信號(hào)實(shí)在是太微弱了。

探測(cè)引力波，最期待的就是在你的“身邊”爆發(fā)一個(gè)“大事件”——像雙黑洞最后并合的那一瞬間?？墒沁@種事件別說(shuō)發(fā)生在“身邊”了，就連發(fā)生在百萬(wàn)光年內(nèi)都是奢望。比如這次LIGO實(shí)驗(yàn)抓住的引力波事件，發(fā)生在十幾億光年遠(yuǎn)的遙遠(yuǎn)宇宙深處。距離遠(yuǎn)十倍，引力波信號(hào)就會(huì)減弱100倍，可見探測(cè)的艱難。如果說(shuō)400年前當(dāng)伽里略第一次將親手制作的望遠(yuǎn)鏡指向夜空的時(shí)候，人類開始用眼睛欣賞宇宙的瑰美，那么今天LIGO直接對(duì)引力波的探測(cè)，可以說(shuō)我們學(xué)會(huì)了聆聽宇宙的第一個(gè)音符。

從聆聽宇宙第一個(gè)音符到華美的交響樂(lè)章

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

首先來(lái)講講這次宣布首次探測(cè)到引力波的LIGO科學(xué)合作組，它是地面激光干涉手段探測(cè)引力波的主要代表實(shí)驗(yàn)，目標(biāo)是幾十到幾千赫茲的高頻段，主要的引力波信號(hào)源是中子星、恒星級(jí)黑洞等致密天體組成的雙星系統(tǒng)并合過(guò)程。探測(cè)手段就是地面數(shù)公里的激光干涉裝置。LIGO經(jīng)過(guò)二十余年的發(fā)展，利用長(zhǎng)達(dá)3千米的兩個(gè)互相垂直的探測(cè)臂首次探測(cè)到了引力波信號(hào)。

對(duì)于超大質(zhì)量黑洞并合時(shí)發(fā)出的引力波，對(duì)應(yīng)的頻率在百萬(wàn)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(wàn)到數(shù)億太陽(yáng)質(zhì)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(hào)，可是我們能建造的探測(cè)器太小了，哪怕把整個(gè)太陽(yáng)系都當(dāng)成探測(cè)器都無(wú)法測(cè)量。于是人們想出利用校準(zhǔn)后的毫秒脈沖星來(lái)作為探測(cè)器！

毫秒脈沖星是自轉(zhuǎn)極快的帶強(qiáng)烈磁場(chǎng)的中子星，顧名思義，脈沖之間的時(shí)間間隔就像鐘擺來(lái)回一個(gè)擺動(dòng)的時(shí)間一樣可以作為一個(gè)記錄時(shí)間的標(biāo)尺，這種自然界天然的時(shí)鐘精度可以達(dá)到原子鐘的級(jí)別！實(shí)際上很多國(guó)家已經(jīng)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(dǎo)航等。若干這樣精確校準(zhǔn)的毫秒脈沖星在宇宙中排成校準(zhǔn)源的一個(gè)龐大陣列，天文學(xué)家利用地面上的大型地面射電望遠(yuǎn)鏡作為探測(cè)器監(jiān)視著宇宙中可能經(jīng)過(guò)的時(shí)空漣漪——尋找大質(zhì)量黑洞并合時(shí)發(fā)出的引力波。

帶電粒子沿著脈沖星的磁場(chǎng)磁力線(藍(lán)色)運(yùn)動(dòng)

引力波的頻率提升到十萬(wàn)分之一到一赫茲，對(duì)應(yīng)的信號(hào)來(lái)源通常為質(zhì)量更小一些的大質(zhì)量黑洞并合過(guò)程的后期，銀河系內(nèi)的白矮雙星系統(tǒng)等。這類引力波信號(hào)可通過(guò)空間衛(wèi)星陣列來(lái)探測(cè)。著名的LISA(光學(xué)干涉空間陣列)作為歐洲空間局批準(zhǔn)的大型空間實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目，將為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)再努力二十年左右，計(jì)劃2035年左右上天開始收集數(shù)據(jù)。其首顆技術(shù)驗(yàn)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(yùn)行良好。

我國(guó)也正在開展由中山大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的、雄心勃勃的“天琴計(jì)劃”，這是我國(guó)正在規(guī)劃中的空間引力波探測(cè)國(guó)際合作項(xiàng)目，是我國(guó)放眼基礎(chǔ)科學(xué)前沿的一次重要嘗試。

天琴計(jì)劃與LIGO類似，“天琴計(jì)劃”主要將分四階段實(shí)施：第一階段完成月球/衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)、大型激光陀螺儀等天琴計(jì)劃地面輔助設(shè)施；第二階段完成無(wú)拖曳控制、星載激光干涉儀等關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，以及空間等效原理實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)；第三階段完成高精度慣性傳感、星間激光測(cè)距等關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，以及全球重力場(chǎng)測(cè)量；第四階段完成所有空間引力波探測(cè)所需的關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)射三顆地球高軌衛(wèi)星進(jìn)行引力波探測(cè)。完成全部四個(gè)子計(jì)劃，大約需要二十年的時(shí)間，投資大約150億元人民幣。