百科：人類“聽到”了引力波

人類首次直接探測(cè)到了引力波！這一消息近日“引燃”媒體。幾乎所有人都在追問：到底什么是引力波？引力波有什么作用？盡管很多文章試圖用通俗易懂的語言解釋，但結(jié)果還是差強(qiáng)人意。比如這樣的解釋：引力波是愛因斯坦廣義相對(duì)論所預(yù)言的一種以光速傳播的時(shí)空波動(dòng)，如同石頭丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋一樣，引力波被視為宇宙中的“時(shí)空漣漪”；又或這樣的解釋：引力波是一種與電磁波不同的輻射，無法通過電磁輻射直接觀測(cè)。引力波與宇宙中物質(zhì)的相互作用是非常微弱的，因此可以傳播至很遠(yuǎn)的宇宙空間……
　　與其描述得如此復(fù)雜，不如做個(gè)簡(jiǎn)單的聯(lián)想。在美國哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)教授紹博爾齊·馬爾卡看來，人類此前的天文學(xué)發(fā)現(xiàn)都好似用“眼睛”看，而引力波的發(fā)現(xiàn)意味著人類長了“耳朵”。以前人類探測(cè)宇宙依靠的是光波和電磁波，現(xiàn)在有了光速傳播的“聲音”，人類自然就能獲取更豐富的宇宙信息。這個(gè)比喻并不是空穴來風(fēng)，事實(shí)上，引力波不僅具備視覺探測(cè)所不能及的信息，而且其探測(cè)裝置與人的聽覺系統(tǒng)還有異曲同工之妙。
　　來自宇宙的兩聲“輕敲”
　　激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）由分別建在美國路易斯安那州的利文斯頓和華盛頓州的漢福德的兩臺(tái)引力波探測(cè)器構(gòu)成。美國東部時(shí)間2015年9月14日5時(shí)51分，位于利文斯頓的探測(cè)器首先傳出撞擊聲，7毫秒后，漢福德的探測(cè)器也傳出撞擊聲。這意味著有引力波傳到了地球。
　　奇怪，怎么會(huì)是“撞擊聲”呢？我們先看一下LIGO的GW150914引力波信號(hào)。圖1是LIGO利文斯頓（中）和漢福德（上）探測(cè)器所觀測(cè)（預(yù)測(cè)）到的GW150914引力波信號(hào)，合成圖像（下）顯示兩個(gè)探測(cè)器觀測(cè)到的變化幾乎完全一致。注意，這個(gè)信號(hào)實(shí)際上是引力波引起的激光干涉應(yīng)變隨時(shí)間和頻率的變化，而并非引力波本身。
　　圖2顯示了GW150914的頻率在0.2秒內(nèi)從35赫茲迅速增加到150赫茲，時(shí)間相差7毫秒，這個(gè)時(shí)間差與光或者引力波在兩個(gè)探測(cè)器之間傳播的時(shí)間一致。35赫茲到150赫茲，這個(gè)頻段實(shí)際上是人類可聽到的低頻聲音，所以才會(huì)在激光干涉探測(cè)中產(chǎn)生類似撞擊的聲音。LIGO給出了這個(gè)信號(hào)片段，有興趣的讀者可以加入聲學(xué)在線微信公眾號(hào)（soundonline）來試聽一下。但是，如果您只能用手機(jī)喇叭和耳機(jī)播放，就別再嘗試了，因?yàn)檫@個(gè)頻段普通手機(jī)喇叭和耳機(jī)是很難播放出來的，需要接到一個(gè)專業(yè)音響系統(tǒng)中，那樣才能傾聽來自宇宙的“撞擊聲”，體會(huì)人類首次探測(cè)到引力波的欣喜之情！

　　地球上的兩只“巨耳”
　　引力波穿透力相當(dāng)強(qiáng)，宇宙中幾乎沒有什么可以阻擋，但這也是它的弱點(diǎn)，其信號(hào)又是如此微弱，因此就連愛因斯坦都覺得幾乎不可能探測(cè)到這種信號(hào)。為探測(cè)引力波，美國國家自然科學(xué)基金會(huì)于20世紀(jì)90年代建造了激光干涉引力波天文臺(tái)，分別位于利文斯頓和漢福德（圖3和圖4），每個(gè)探測(cè)器都有兩個(gè)長達(dá)4千米的測(cè)量臂，呈L型排列。
　　為什么要用兩個(gè)探測(cè)器同時(shí)探測(cè)呢？事實(shí)上，一個(gè)探測(cè)器利用兩個(gè)超長的垂直激光臂就能探測(cè)到引力波引起的應(yīng)變，但卻無法測(cè)定引力波的來源方向。這和人類的雙耳模型有點(diǎn)兒類似。如果我們堵住一只耳朵，用另一只耳朵也能聽到聲音，但卻無法分辨聲音的來源。人類利用雙耳定位的能力非常重要，如果一只耳朵出現(xiàn)聽力下降，這可能會(huì)影響到人類的平衡能力，并有惡心眩暈的現(xiàn)象發(fā)生。因此，只靠一個(gè)引力波探測(cè)器還無法確定發(fā)現(xiàn)的引力波事件及其方位。LIGO的兩個(gè)激光干涉引力波探測(cè)器類似于人類雙耳模型，通過引力波信號(hào)到達(dá)不同探測(cè)器的時(shí)間差和其信號(hào)的強(qiáng)弱，來確定引力波信號(hào)的空間位置。這種方法在聲學(xué)上通常定義為ITD（雙耳時(shí)間差）和ILD（雙耳聲級(jí)差），也是人類獲取聲音方位信息的主要參考。
　　這樣看來，LIGO的兩個(gè)激光干涉引力波探測(cè)器，就像安裝在地球上的兩只巨大“耳朵”，試圖傾聽來自宇宙最深處的“聲音”。LIGO此次真是非常幸運(yùn)，剛剛升級(jí)完畢就聽到了足以讓全世界物理學(xué)家興奮的“聲音”。盡管這次實(shí)驗(yàn)仍然需要很長時(shí)間再次驗(yàn)證，而且諾貝爾獎(jiǎng)也需要等待驗(yàn)證的結(jié)果。但不管怎樣，這兩只“耳朵”已經(jīng)開啟了人類探測(cè)宇宙新的篇章。LIGO的雄心顯然不滿足于這次重大發(fā)現(xiàn)，其全球布局的“耳朵”還在建設(shè)。一旦這個(gè)“耳朵”大陣列運(yùn)轉(zhuǎn)起來，人類對(duì)于宇宙的探測(cè)將從此邁上新的高度。
　　探測(cè)引力波的四種方法
　　從目前來看，引力波探測(cè)主要有四種方法。
　　第一種方法試圖利用宇宙微波背景輻射直接探測(cè)原初引力波信號(hào)。原初引力波主要來源于宇宙大爆炸，其波長極大，頻率極低。2014年，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)宣布，他們利用架設(shè)在南極的專業(yè)望遠(yuǎn)鏡BICEP2探測(cè)到原初引力波，在當(dāng)時(shí)曾引起轟動(dòng)，但是后來探測(cè)結(jié)果因無法排除銀河系自身的干擾而被否定。
　　第二種方法探測(cè)的頻率稍高一些，大概在億分之一赫茲到百萬分之一赫茲之間，主要是利用若干精確校準(zhǔn)的毫秒脈沖星作為校準(zhǔn)光源，采用地面射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行探測(cè)，這種引力波信號(hào)主要來源于大質(zhì)量黑洞的合并。
　　第三種方法探測(cè)的引力波信號(hào)大概在百萬分之一赫茲到幾赫茲之間，主要利用太空中若干衛(wèi)星組成的光學(xué)干涉空間陣列（LISA）進(jìn)行探測(cè)，這種引力波信號(hào)來源主要是質(zhì)量小些的黑洞合并、白矮雙星合并等事件。目前歐洲已經(jīng)發(fā)射了首顆衛(wèi)星，我國的天琴衛(wèi)星也正在籌劃發(fā)射之中。

　　第四種方法就是此次取得重大發(fā)現(xiàn)的地面長距離激光干涉陣列探測(cè)方法，主要探測(cè)幾赫茲到幾千赫茲的引力波，其信號(hào)來源主要是中子星、恒星級(jí)黑洞等致密天體組成的雙星合并事件。
　　這四種方法探測(cè)的引力波信號(hào)來源不同，頻段不同，科學(xué)目的自然也不同。因此LIGO這次地面探測(cè)到引力波，與我國計(jì)劃實(shí)施的天琴計(jì)劃和太極計(jì)劃并不沖突。