蘇萌：引力波的時空之曲，正等着中國科學家聆聽
2016年2月12日，位於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於十幾億年前由兩個黑洞並和產生的引力波，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後一項預言，可謂一項里程碑式的發現，與此同時，也開啓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，大致來説可歸於直接探測和間接測量。此前通過對脈衝雙星系統（就是兩個離的很近的互相緊密環繞、快速旋轉的緻密天體）數十年如一日的觀測，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現，緻密雙星系統隨着時間推移慢慢地在損失能量，既然沒有什麼其他已知的方式從這個系統中帶走能量。我們知道對這個系統來説能量應該是守恆不變的，那麼能量會以什麼形式損耗又傳播出去呢？結果發現，愛因斯坦廣義相對論預言的引力輻射帶走的能量與脈衝雙星系統損失能量一致！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。比如説，兩個黑洞圍繞着彼此相互旋轉，越轉越快、越靠越近最後併合成一個黑洞——這是天文學家預測一定在宇宙中大量存在，但是多年來苦於沒有辦法通過觀測證實的天體演化過程。一旦宇宙中發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“震盪”會以引力波的形式在宇宙間幾乎毫無阻力地傳播擴散，慢慢隨着距離變大，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盪漾在湖面，慢慢傳播開來又回覆平靜。
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，持續時間，波動的模式、形態，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”爆發一個“大事件”——像雙黑洞最後併合的那一瞬間。可是這種事件別説發生在“身邊”了，就連發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。如果説400年前當伽裏略第一次將親手製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，那麼今天LIGO直接對引力波的探測，可以説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生地震一樣，這些大大小小、“不同震級”的各種引力波震盪在宇宙中，只要我們有一台好的“地震儀”就能探測到這些微乎其微的震盪。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。
首先來講講這次宣佈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、恆星級黑洞等緻密天體組成的雙星系統併合過程。探測手段就是地面數公里的激光干涉裝置。LIGO經過二十餘年的發展，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。
對於超大質量黑洞併合時發出的引力波，對應的頻率在百萬分之一到億分之一赫茲。這種事件往往發生在星系與星系相撞的後期，星系中心數百萬到數億太陽質量的巨大黑洞在最後階段的撞擊併合發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。於是人們想出利用校準後的毫秒脈衝星來作為探測器！
毫秒脈衝星是自轉極快的帶強烈磁場的中子星，顧名思義，脈衝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展利用這種脈衝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衝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視着宇宙中可能經過的時空漣漪——尋找大質量黑洞併合時發出的引力波。
帶電粒子沿着脈衝星的磁場磁力線(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併合過程的後期，銀河系內的白矮雙星系統等。這類引力波信號可通過空間衞星陣列來探測。著名的LISA(光學干涉空間陣列)作為歐洲空間局批准的大型空間實驗衞星項目，將為實現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據。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/衞星激光測距系統、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，發射三顆地球高軌衞星進行引力波探測。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。
原初引力波——下一個引力波的重要突破口
除了天體運動、演化形成的引力波以外，還有一種更獨特的引力波，它來自於宇宙誕生之初由於時空的劇烈擾動而產生的引力波的背景信號，也就是所謂的“原初引力波”信號。
大家或許還記得2014年的爆炸性新聞，南極的BICEP2實驗發現宇宙誕生之初的原初引力波的證據。當時刷屏度絕對不亞於今天LIGO探測到黑洞併合引力波的新聞，轟動一時，首席科學家John Kovac被《時代》週刊選為了當年對世界最有影響的100位人物，可見這個科學成果的轟動效應。
當今的宇宙起源理論認為，宇宙大爆炸時會發生宇宙時空劇烈的暴脹過程(inflation)，時空的劇烈擾動會產生一個引力波的背景信號，也就是所謂的“原初引力波”信號。這種引力波的波長跟整個宇宙的尺度差不多大，無法用地面製造的引力波直接探測裝置接收，可以通過測量宇宙微波背景輻射（簡稱CMB）的B模式信號來探測。這又是個什麼玩意兒呢？
CMB是宇宙大爆炸遺留下來的微弱的光子場，大概對應着零下270攝氏度的輻射温度，它攜帶着非常豐富的宇宙學信息，幾乎是人類認知極早期宇宙演化的唯一有效途徑。CMB的發現不僅在半個世紀前開創了宇宙學，近年來對它的精確測量更是將人類帶入“精確宇宙學”時代。對當代宇宙學、高能物理及基礎物理學最前沿問題，例如宇宙加速膨脹、“暗物質”、“暗能量”的研究都起到了核心作用。
CMB的B模式極化信號是原初引力波在宇宙的大尺度上留下來的特徵信號，如果2014年BICEP2實驗看到的B模式信號被證實，將是首個觀測到引力波對物質的直接作用的實驗。可惜後來更多數據和儀器的結果顯示，雖然測量結果本身沒有問題，但探測到的是我們自身銀河系的前景信號，而並不是來自於宇宙早期。
此前發現的B模式特徵
阿里原初引力波實驗
此次LIGO實驗的重要意義在於在LIGO的工作頻段證實引力波的存在，也就是説，引力波在其他廣泛的頻段都應該存在，而不同頻段的探測對應完全不同的科學目標，在對應這些引力波頻段的探測上建造領先的實驗裝置，就會在未來的引力波科學大發現上佔據先機。
原初引力波作為唯一的來自宇宙最早期的引力波信號告訴我們極為重要的關於宇宙誕生之初的物理學過程，對它的探測是引力波物理、宇宙學、高能物理的下一個重大科學突破。原初引力波一旦被探測到將揭開探索早期宇宙的新篇章。
由於科學目標不同，原初引力波不同於黑洞產生的引力波，所以探測的方式是通過對宇宙微波背景輻射的觀測實現的，跟LIGO的探測原理完全不同。原初引力波的探測需要通過對CMB的觀測，尋找CMB當中的B模式極化信息。目前為止，地面上開展的CMB觀測集中在發展相對成熟的智利天文台和美國南極科考站兩個台址。北半球一直沒有相應的CMB實驗得以開展，原因就在於沒有找到合適的、跟智利和南極站址觀測條件相比擬的北半球枱址。
我國正在計劃開展的西藏阿里原初引力波實驗，利用阿里地區獨特的地理氣象條件，將實現首次對北半球可見天區的原初引力波搜尋，是我國獨具特色的引力波研究項目。比如美國本土無法開展類似的探測活動，只能通過美國在南極的科考站，或者藉助智利的天文平台進行南半球的觀測活動。阿里項目中我們使用的是一台微波波段的望遠鏡，通過極其敏感的探測元器件，排除地球大氣和銀河系的干擾，搜尋從137億年前跨越整個宇宙傳播到我們的宇宙微波背景輻射。望遠鏡為了儘量避開環境和大氣的干擾，放在海拔5100多米的西藏阿里地區獅泉河附近的山頂。
阿里計劃
引力波被LIGO首次直接探測到，證明了引力波的存在，我們可以滿懷信心地去尋找不同波段的引力波，就像不同波段的電磁波譜一樣。阿里計劃是尋找頻率最低的宇宙誕生之初產生的引力波，探測到它是下一個引力波領域、宇宙學、高能物理的重大突破。我們現在更有信心去探尋原初引力波。
期待未來
科學上講引力波的發現為我們打開了研究宇宙的全新窗口。射電、光學、紅外、紫外、X射線、伽馬射線等等不同的電磁波譜研究宇宙都是來自於光子攜帶的信息，引力波攜帶着與電磁波截然不同的信息，將為我們揭示宇宙新的奧秘，比如黑洞與黑洞併合時的物理過程。宇宙大爆炸時發出的原初引力波，如果被探測到將為我們揭示宇宙誕生之初的奧妙。至於對人們平常的生活到底會有多大影響，我們大概不會比一百年前，人們剛發現電磁波時候的想象力好太多，引力波到底能多大程度上改變人類的生活，讓一百年後我們後裔們去體會吧！
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