苏萌：引力波的时空之曲，正等着中国科学家聆听
2016年2月12日，位于美国路易斯安那州的列文斯顿和华盛顿州的汉福德的两个激光干涉引力波观测站（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，缩写为LIGO）几乎同时探测到了来自于十几亿年前由两个黑洞并和产生的引力波，震动世界！这是人类第一次直接探测到引力波，证实了爱因斯坦引力理论的最后一项预言，可谓一项里程碑式的发现，与此同时，也开启了引力波实验的新纪元！
华盛顿州的LIGO
引力波的探测
整整100年前，爱因斯坦写下的广义相对论预言了引力波的存在，任何对时空的扰动都会以波动的方式传播，被其他物质所感知。事实上，今天我们知道任何相对论性的引力理论都预言了引力波的存在。
探测引力波有多种方法，大致来说可归于直接探测和间接测量。此前通过对脉冲双星系统（就是两个离的很近的互相紧密环绕、快速旋转的致密天体）数十年如一日的观测，人们已经间接探测到了引力波。天文学家通过射电望远镜发现，致密双星系统随着时间推移慢慢地在损失能量，既然没有什么其他已知的方式从这个系统中带走能量。我们知道对这个系统来说能量应该是守恒不变的，那么能量会以什么形式损耗又传播出去呢？结果发现，爱因斯坦广义相对论预言的引力辐射带走的能量与脉冲双星系统损失能量一致！这个工作也获得了1993年的诺贝尔物理学奖。但是这毕竟还是间接的探测。对引力波的直接探测，打开引力波研究宇宙的大门，一直是很多科学家数十年来孜孜不倦毕生追求的梦想。
引力波的直接探测指的是观测到引力波对物质的直接作用。比如说，两个黑洞围绕着彼此相互旋转，越转越快、越靠越近最后并合成一个黑洞——这是天文学家预测一定在宇宙中大量存在，但是多年来苦于没有办法通过观测证实的天体演化过程。一旦宇宙中发生了类似剧烈的极端天体过程，就产生了引力波信号，就好比大功率扩音喇叭在宇宙的某个角落喊一嗓子，这种时空的“震荡”会以引力波的形式在宇宙间几乎毫无阻力地传播扩散，慢慢随着距离变大，这种信号的强度越来越弱。你可以想象平静的湖面突然坠入一颗石子激起的涟漪荡漾在湖面，慢慢传播开来又回复平静。
如果离地球足够的近，我们就可以用“引力波天线”接受这些讯号，波动的强度，持续时间，波动的模式、形态，传播的速度，等等这些比较容易想象得到，可是测量起来却万分艰难的物理量——原因很简单，引力波的信号实在是太微弱了。
探测引力波，最期待的就是在你的“身边”爆发一个“大事件”——像双黑洞最后并合的那一瞬间。可是这种事件别说发生在“身边”了，就连发生在百万光年内都是奢望。比如这次LIGO实验抓住的引力波事件，发生在十几亿光年远的遥远宇宙深处。距离远十倍，引力波信号就会减弱100倍，可见探测的艰难。如果说400年前当伽里略第一次将亲手制作的望远镜指向夜空的时候，人类开始用眼睛欣赏宇宙的瑰美，那么今天LIGO直接对引力波的探测，可以说我们学会了聆听宇宙的第一个音符。
从聆听宇宙第一个音符到华美的交响乐章
就像地球上时不时发生地震一样，这些大大小小、“不同震级”的各种引力波震荡在宇宙中，只要我们有一台好的“地震仪”就能探测到这些微乎其微的震荡。科学家们针对不同频率的引力波信号源，建造了不同的引力波接收器，大致可以分为三类。
首先来讲讲这次宣布首次探测到引力波的LIGO科学合作组，它是地面激光干涉手段探测引力波的主要代表实验，目标是几十到几千赫兹的高频段，主要的引力波信号源是中子星、恒星级黑洞等致密天体组成的双星系统并合过程。探测手段就是地面数公里的激光干涉装置。LIGO经过二十余年的发展，利用长达3千米的两个互相垂直的探测臂首次探测到了引力波信号。
对于超大质量黑洞并合时发出的引力波，对应的频率在百万分之一到亿分之一赫兹。这种事件往往发生在星系与星系相撞的后期，星系中心数百万到数亿太阳质量的巨大黑洞在最后阶段的撞击并合发出浩瀚的引力波信号，可是我们能建造的探测器太小了，哪怕把整个太阳系都当成探测器都无法测量。于是人们想出利用校准后的毫秒脉冲星来作为探测器！
毫秒脉冲星是自转极快的带强烈磁场的中子星，顾名思义，脉冲之间的时间间隔就像钟摆来回一个摆动的时间一样可以作为一个记录时间的标尺，这种自然界天然的时钟精度可以达到原子钟的级别！实际上很多国家已经开始发展利用这种脉冲星作为星际旅行的定位参照和导航等。若干这样精确校准的毫秒脉冲星在宇宙中排成校准源的一个庞大阵列，天文学家利用地面上的大型地面射电望远镜作为探测器监视着宇宙中可能经过的时空涟漪——寻找大质量黑洞并合时发出的引力波。
带电粒子沿着脉冲星的磁场磁力线(蓝色)运动
引力波的频率提升到十万分之一到一赫兹，对应的信号来源通常为质量更小一些的大质量黑洞并合过程的后期，银河系内的白矮双星系统等。这类引力波信号可通过空间卫星阵列来探测。著名的LISA(光学干涉空间阵列)作为欧洲空间局批准的大型空间实验卫星项目，将为实现这个目标再努力二十年左右，计划2035年左右上天开始收集数据。其首颗技术验证星LISA pathfinder去年年底刚刚由欧洲空间局送上太空，目前为止运行良好。
我国也正在开展由中山大学领导的、雄心勃勃的“天琴计划”，这是我国正在规划中的空间引力波探测国际合作项目，是我国放眼基础科学前沿的一次重要尝试。
天琴计划与LIGO类似，“天琴计划”主要将分四阶段实施：第一阶段完成月球/卫星激光测距系统、大型激光陀螺仪等天琴计划地面辅助设施；第二阶段完成无拖曳控制、星载激光干涉仪等关键技术验证，以及空间等效原理实验检验；第三阶段完成高精度惯性传感、星间激光测距等关键技术验证，以及全球重力场测量；第四阶段完成所有空间引力波探测所需的关键技术，发射三颗地球高轨卫星进行引力波探测。完成全部四个子计划，大约需要二十年的时间，投资大约150亿元人民币。
原初引力波——下一个引力波的重要突破口
除了天体运动、演化形成的引力波以外，还有一种更独特的引力波，它来自于宇宙诞生之初由于时空的剧烈扰动而产生的引力波的背景信号，也就是所谓的“原初引力波”信号。
大家或许还记得2014年的爆炸性新闻，南极的BICEP2实验发现宇宙诞生之初的原初引力波的证据。当时刷屏度绝对不亚于今天LIGO探测到黑洞并合引力波的新闻，轰动一时，首席科学家John Kovac被《时代》周刊选为了当年对世界最有影响的100位人物，可见这个科学成果的轰动效应。
当今的宇宙起源理论认为，宇宙大爆炸时会发生宇宙时空剧烈的暴胀过程(inflation)，时空的剧烈扰动会产生一个引力波的背景信号，也就是所谓的“原初引力波”信号。这种引力波的波长跟整个宇宙的尺度差不多大，无法用地面制造的引力波直接探测装置接收，可以通过测量宇宙微波背景辐射（简称CMB）的B模式信号来探测。这又是个什么玩意儿呢？
CMB是宇宙大爆炸遗留下来的微弱的光子场，大概对应着零下270摄氏度的辐射温度，它携带着非常丰富的宇宙学信息，几乎是人类认知极早期宇宙演化的唯一有效途径。CMB的发现不仅在半个世纪前开创了宇宙学，近年来对它的精确测量更是将人类带入“精确宇宙学”时代。对当代宇宙学、高能物理及基础物理学最前沿问题，例如宇宙加速膨胀、“暗物质”、“暗能量”的研究都起到了核心作用。
CMB的B模式极化信号是原初引力波在宇宙的大尺度上留下来的特征信号，如果2014年BICEP2实验看到的B模式信号被证实，将是首个观测到引力波对物质的直接作用的实验。可惜后来更多数据和仪器的结果显示，虽然测量结果本身没有问题，但探测到的是我们自身银河系的前景信号，而并不是来自于宇宙早期。
此前发现的B模式特征
阿里原初引力波实验
此次LIGO实验的重要意义在于在LIGO的工作频段证实引力波的存在，也就是说，引力波在其他广泛的频段都应该存在，而不同频段的探测对应完全不同的科学目标，在对应这些引力波频段的探测上建造领先的实验装置，就会在未来的引力波科学大发现上占据先机。
原初引力波作为唯一的来自宇宙最早期的引力波信号告诉我们极为重要的关于宇宙诞生之初的物理学过程，对它的探测是引力波物理、宇宙学、高能物理的下一个重大科学突破。原初引力波一旦被探测到将揭开探索早期宇宙的新篇章。
由于科学目标不同，原初引力波不同于黑洞产生的引力波，所以探测的方式是通过对宇宙微波背景辐射的观测实现的，跟LIGO的探测原理完全不同。原初引力波的探测需要通过对CMB的观测，寻找CMB当中的B模式极化信息。目前为止，地面上开展的CMB观测集中在发展相对成熟的智利天文台和美国南极科考站两个台址。北半球一直没有相应的CMB实验得以开展，原因就在于没有找到合适的、跟智利和南极站址观测条件相比拟的北半球台址。
我国正在计划开展的西藏阿里原初引力波实验，利用阿里地区独特的地理气象条件，将实现首次对北半球可见天区的原初引力波搜寻，是我国独具特色的引力波研究项目。比如美国本土无法开展类似的探测活动，只能通过美国在南极的科考站，或者借助智利的天文平台进行南半球的观测活动。阿里项目中我们使用的是一台微波波段的望远镜，通过极其敏感的探测元器件，排除地球大气和银河系的干扰，搜寻从137亿年前跨越整个宇宙传播到我们的宇宙微波背景辐射。望远镜为了尽量避开环境和大气的干扰，放在海拔5100多米的西藏阿里地区狮泉河附近的山顶。
阿里计划
引力波被LIGO首次直接探测到，证明了引力波的存在，我们可以满怀信心地去寻找不同波段的引力波，就像不同波段的电磁波谱一样。阿里计划是寻找频率最低的宇宙诞生之初产生的引力波，探测到它是下一个引力波领域、宇宙学、高能物理的重大突破。我们现在更有信心去探寻原初引力波。
期待未来
科学上讲引力波的发现为我们打开了研究宇宙的全新窗口。射电、光学、红外、紫外、X射线、伽马射线等等不同的电磁波谱研究宇宙都是来自于光子携带的信息，引力波携带着与电磁波截然不同的信息，将为我们揭示宇宙新的奥秘，比如黑洞与黑洞并合时的物理过程。宇宙大爆炸时发出的原初引力波，如果被探测到将为我们揭示宇宙诞生之初的奥妙。至于对人们平常的生活到底会有多大影响，我们大概不会比一百年前，人们刚发现电磁波时候的想象力好太多，引力波到底能多大程度上改变人类的生活，让一百年后我们后裔们去体会吧！
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