引力波观测的发展与未来展望

2016年2月11日，LIGO团队正式宣布观测到了引力波事件——GW150914。这是人类第一次直接听到来自深空的引力波，也代表了爱因斯坦最后一个理论预测在百年后的实现。这个强烈引力波信号来自13亿年前某个瞬间的双黑洞碰撞。两个几乎不自转、约30倍太阳质量的黑洞，可能因为某个绚丽而未知的过程形成双星系统，然后趋于平淡，以近似于牛顿力学的克卜勒轨道互绕了数百万甚至数亿年。但缓慢辐射出的引力波，使得双黑洞愈来愈靠近，速度愈来愈快，最后在相距不到一千千米，大约是黑洞半径4.5倍的距离时，强引力场使它们的轨道变得极端不稳定，并在顷刻间毁灭性碰撞，融合成一个带有自转的黑洞，蜷缩于宇宙的一角。整个历时不到半秒钟的碰撞过程，引力波辐射频率从35赫兹攀升到250赫兹，并经历13亿年的传递后，在北京时间2015年9月14日傍晚到达地球。碰撞的瞬间释放约三个太阳的能量，强度几乎超过全宇宙所有恒星的耗散功率。很凑巧地，这一个不太自转的双黑洞环绕、碰撞与融合过程，恰恰是最单纯、也是过去半个世纪研究最彻底的广义相对论双体系统。

发现信号的当晚，aLIGO才刚经历完一系列的测试，研究人员与学生们决定提早收工，让干涉仪处于“工程阶段”运行，此时离正式运作时间还有四天。不久前，激光干涉仪之父韦斯（Rainer Weiss）甚至还提议暂缓上线，以彻底检查激光调变系统对全观测频段造成的零星噪声。好在这个建议没被采纳，不然就错过了人类与引力波的第一次接触。在这次戏剧性的观测中，信号异常强烈，几乎可直接以肉眼看出，如图4-9所示，因此大家甚至怀疑这不过又是另一次如2010年的“演习”。即使如此，实际上仍需大量分析与波形匹配计算，才可定量估计误判率以及双黑洞参数。之后四个月内的第一阶段科学运作总共观测到“2.5”个信号，而那“半个”信号——LVT151012，是因为它偏离噪声达不到两个标准偏差，远低于科学发现所要求的“五个标准偏差”（误判率约为三百五十万分之一）的统计显著度。也就是说这“半”个信号，有四十分之一的可能性只是噪声。2016年11月开始的第二阶段观测又发现了第三个发生在30亿光年之外传来的引力波信号，是目前观测到最远的双黑洞碰撞事件。

图4-9　引力波GW150914事件附近0.2秒的波形，纵轴代表引力应变振幅，约在10-18左右，此处以标准偏差为单位表示。上半部分别为LIGO Hanford与Livingston干涉仪的实际波形（实线）与理论模板（虚线）。两座干涉仪的观测值与波形模板的差值（实线减去虚线，如下半图）几乎互为不相干的噪声，因此科学家才能有信心地宣称该信号并非局部噪声，而是真的引力波信号。（数据源：LIGO Open Science Center）

未来将会经常性地观测到引力波，这不仅仅只是满足理论上的预测，也展示了人类已能精密地测量一种与电磁波全然不同的宇宙信息载体。目前三个引力波的观测都支持双黑洞系统，以及数十个太阳质量等级的“中质量”黑洞存在——这对天文学家算是个不小的惊奇。一方面，位于银河系中心的超大黑洞（百万太阳质量）已有强烈的观测证据；另一方面，X射线双星（主星是黑洞或中子星，逐渐吞噬伴星的质量）的观测也证实了不少恒星等级的“正常黑洞”（十几个太阳质量），与现有的恒星演化模型相符。这个惊奇却引发了另外一个困难，就是这些“中质量”双黑洞到底是如何形成的？在宇宙中的分布与发生频率又为何？它们的存在是否与目前的标准恒星演化模型抵触？这些关于自然现象的前世、今生、未来，向来都是科学家喜欢思考的课题，也算是科学家的一种浪漫情怀。2017年8月1日，VIRGO刚宣布加入LIGO的观测网，这让引力波的研究前景更为乐观；我们可以期待，下一阶段的观测网将会带来更多惊喜。随着侦测灵敏度的提高，也许在不久的将来，我们就可以听到来自双中子星以及其他奇异星体的信号，甚至能对暗物质的分布与成因，提出更自然的解释。

目前，中国、欧洲、日本等国的引力波太空计划也持续进行着。中国科学院的太极计划与中国中山大学的天琴太空引力波探测计划都在规划中。太极的规模宏大，预计运行在太阳的同步轨道，目标为探测0.1毫赫兹到1赫兹的引力波。而天琴计划则着重于观测一个特定已知的短周期白矮星双星系统的引力波特性。LISA计划书已于2017年1月提交至欧洲太空总署的计划日程中，而美国太空总署也在引力波发现后的热潮中重新加入LISA计划。(www.xing528.com)

这一波的发现仅仅是引力波研究的开端，在这三个双黑洞碰撞事件的观测后，未来结合传统天文学的多信息引力波观测将准备颠覆人们的想象。位于美国、意大利、日本和印度的第二代干涉仪网络将于未来的十多年中陆续形成更大的观测网并逐步达到设计灵敏度。太空干涉仪观测信号将会提供来自较重的黑洞的低频引力波特性，或者双黑洞互绕的早期低频的详细过程，与地面干涉仪观测搭配后，将会得到黑洞演化的完整历程。而计划中的第三代引力波干涉仪网络，可望于二三十年后，有能力聆听到宇宙中自从第一颗恒星演化完成后所有的双黑洞事件。面对即将迈进引力波天文学的新时代，各种研究社群持续投入引力波物理研究。无论是从传统的理论面向切入，研究引力、时空的本质，还是从天文应用的角度，分析观测数据、探讨强场下的未知现象，抑或是卷起衣袖，投入探测器的设计、改进，甚至创新，等等。“研究，就是不断在已知的边界上往未知探索”。相比于一百多年前电磁波理论的提出、验证及实际应用，引力波探索之路显然艰辛多了。在成为探测宇宙的新一道窗之前，仍有许多理论、工程挑战，等待新一代的科学家克服。

本文从引力波理论开始谈起，简述引力波观测的发展、天文上的重要性，以及数值相对论计算的进展，并以最近引力波观测结果与未来发展作为结尾。我们试图呈现自广义相对论提出以来的一个世纪，科学家从不确定到怀抱希望地联合寻找引力波的过程。引力的研究始于人们对行星轨道观测，牛顿与爱因斯坦的洞察力将之表达为极简的数学语言；在不远的将来，对深空的观测将不断检验现有理论。即使最终的结果出乎预期，借由全球协同的科学观测以及日臻完备的理论与模拟计算，人类也将累积探索的经验与对自然的洞察力。为了解开宇宙的运作法则，从不同领域的角度抽丝剥茧，看似互相独立发展的各种研究领域，最终似乎仍自然地收敛在一起。至于将来引力波的实际应用，更是挑战人类想象的极限。

(1) 引力的“荷”为能量，因此由于能量守恒，单极辐射不存在。再者，不像电磁力的来源有正电荷与负电荷，引力只有一种正“荷”，因此引力的“偶极”不过是质量在非质心坐标的表象，总可以在一个平移坐标下，始得偶极矩为零，这也反映了动量守恒。因此引力辐射至少由四极矩加速变化所产生。对互绕的双质点系统，四极矩可约略视为垂直于波源转动轴的转动惯量。