假如一個年輕人，他覺得自己一生的目的就是要做革命性的發(fā)展的話，他應該去學習天文物理學。
——楊振寧
撰文 | 瞿立建
編輯 | 小賽
2019年8月14日，人類又雙叒叕探測到引力波了。引力波新聞不奇怪呀。從2016年春節(jié)到現(xiàn)在，發(fā)現(xiàn)引力波的消息不斷傳來。引力波探測器建好了，它就在那里，不遠不近，找引力波不是科學家的例行工作嗎？每次發(fā)現(xiàn)引力波都是新聞，是不是故意在刷存在感？引力波直接觀測才剛剛開始4年，每次都是新穎的發(fā)現(xiàn)，都是令人興奮的新聞，至少值得科學家興奮。以前探測到的引力波要么來自兩個黑洞的合并，要么來自兩個中子星的合并，這次不一樣，這次引力波來自一個黑洞和一個中子星的合并。事不過三。集齊三種引力波事件，可以召喚一種新型的觀測天文學——引力波天文學。觀測天體新手段
2016年，我們歡度春節(jié)的時候，地球另一邊的美國發(fā)布了一條重磅新聞——人類首次直接探測到引力波。這次引力波事件是在2015年9月14日探測到的，來自兩個黑洞的合并。
這也是天文學上的大事件，但沒有為天文觀測帶來展現(xiàn)身手的機會。黑洞劇烈合并輻射引力波，但是黑洞不發(fā)光，這讓全世界的望遠鏡干瞪眼。引力波盛宴，只是引力波探測裝置的獨食。
2017年10月16日，三位科學家因引力波獲得諾貝爾獎之后十余天，美國正式宣布第六次引力波事件。這次事件不一樣。以前公布的5次引力波事件都來自兩個黑洞的合并，而這次的信號則來自兩個中子星的合并。這次事件中輻射出各波段的電磁波，給了七大洲和太空中70多座望遠鏡大顯身手的機會。我國的南極巡天望遠鏡AST3-2、第一顆空間X射線天文衛(wèi)星“慧眼”望遠鏡也參與其中。
最后的論文署名作者近4000人，署名單位超過900家。新聞發(fā)布會當天，相關論文噴涌而出，包括近100篇預印本文章，8篇Science，6篇Nature，《天體物理雜志快報》（The Astrophysical Journal Letters）出了一期?？?，發(fā)表32篇論文。中子星合并引力波藝術圖
這次引力波事件于2017年8月17日被美國的激光干涉引力波天文臺（LIGO）與歐洲的室女座干涉儀（VIRGO）檢測到。信號特征顯示，這次接收到的是一個全新的引力波——以前檢測到的引力波持續(xù)時間最長也就一兩秒鐘，這次持續(xù)了約100秒。而且，這次引力波的能量明顯更低。種種跡象顯示，這次引力波并不像以前的引力波一樣源自黑洞合并，它很可能來自中子星合并。這個全新的引力波信號被接收到約1.7秒后，兩家空間望遠鏡，NASA的費米伽瑪射線空間望遠鏡和歐洲宇航局的國際伽瑪射線天體物理實驗室，相繼探測到同一個伽瑪射線暴，持續(xù)時間約兩秒。引力波和伽瑪射線暴，二者在時間和空間上一致，應具有相關性。全球各地的天文學家們聞風而動，全世界各地的望遠鏡開始了忙碌的觀測，各波段的望遠鏡都得以大顯身手。綜合各種觀測數(shù)據(jù)，最終確認，這次引力波事件源自距離地球1.3億光年處的兩個中子星的碰撞和合并。也就是說，這個事件發(fā)生在1.3億年前，當時統(tǒng)治地球的還是恐龍。這兩顆中子星碰撞之后成為了天文學家的金礦，不僅是修辭意義上的金礦，還是字面意義上的金礦。天文學家發(fā)現(xiàn)，這兩顆中子星的合并生成金、鉑（俗稱白金）等重元素，這是“重元素形成于中子星合并”這一假說的第一個堅實證據(jù)。這是全球天文學家的完美合作，這是多種天文觀測手段的完美合作，是所謂“多信使天文學”的重大突破。這里的信使是指天文觀測的信號，以往有電磁波、中微子、宇宙射線，現(xiàn)在引力波成為這個列表的新成員。2017年的引力波事件中，多信使天文學讓人欣賞到了兩顆中子星共舞的終曲，而2019年的引力波事件，則給天文學家?guī)硪粋€一窺中子星內部結構的機會。中子星內部是什么樣的？沒有人知道?？茖W家猜想，中子星內部是一鍋面食。緊挨著殼層是球形的原子核，像面疙瘩。再往里，壓強增大，面疙瘩被壓成長管狀結構，像意大利面。再往中子星內部，面條被壓成千層面。這就是中子星結構的主流理論，如果這個理論出自陜西科學家之手，以上結構或許會稱為麻食、手搟面、肉夾饃。不過中子星面食我們可吃不動，比鋼硬100億倍。中子星內部結構的計算機模擬，從左之后依次為面疙瘩、苗條、千層面結構。（圖源：sciencenews.org）
想要檢驗中子星內部是不是一鍋面食，我們不可能在地球上做一個中子星出來細細研究。那該怎么辦呢？黑洞和中子星合并發(fā)出的引力波，為我們檢驗中子星面食理論帶來了可能。中子星可能會被扭曲，這種扭曲會體現(xiàn)在引力波信號中，分析引力波信號，可推斷出中子星面食理論的合理程度。中子星、黑洞之間三種合并方式輻射的引力波都已經被檢測到，這極大豐富了天文學家對天體的理解和認識。不過，天文學家翹首以盼的一種可能的引力波還沒有被檢測到，那就是超新星爆發(fā)所產生的引力波。超新星是某些恒星在壽命接近終結時經歷的一種劇烈爆炸。超新星所產生的引力波比較弱，但如果發(fā)生在銀河系內，還是有可能被檢測到的。電磁波天文學和中微子天文學只能讓天文學家了解恒星爆炸初始階段的樣子，還主要是靜態(tài)的信息，而引力波信號可以給天文學家呈現(xiàn)出恒星爆炸全過程錄像。超新星遺跡多波段合成照片（圖源：維基百科）
觀測天體，引力波天文學一出山就立下大功，未來更大有可為。理論發(fā)展新機遇
引力波是愛因斯坦的廣義相對論的光輝預言，引力波被直接檢測到是廣義相對論的巨大成功。那廣義相對論就是關于宇宙天體的終極理論嗎？
廣義相對論與物理學中另一個極為成功的理論——量子理論有著尖銳的矛盾。量子理論是關于原子和亞原子的理論。廣義相對論里，世界是彎曲時空，所有東西都是連續(xù)的，而在量子論里，世界是不連續(xù)的能量量子躍動的平直空間。讓人覺得物理學家精神分裂。如何使二者相容？這是物理正面臨的最深奧的問題之一。20世紀物理學的兩顆明珠——廣義相對論和量子理論相互矛盾，讓人覺得物理學家精神分裂（圖源：Forbes）
一種方式就是像愛因斯坦建立相對論一樣，苦心孤詣地推導演算，矢志提出一種理論調和廣義相對論與量子力學。很多理論應運而生，如弦論、圈量子引力，不下30種。但這種“愛因斯坦”式的純理論推導并不是物理學家傳統(tǒng)的工作方式。傳統(tǒng)上，研究問題要從物理現(xiàn)象、物理事實出發(fā)，如上個世紀之交量子理論的誕生。能不能從物理現(xiàn)象中尋找到啟發(fā)，由此探索能將廣義相對論與量子力學相容的新理論？物理學家也想啊，但是做不到啊，這要求我們回望到宇宙誕生初期，而靠電磁波只能追溯到宇宙誕生38萬年后，所以想通過電磁信號洞察宇宙誕生初期的樣子，根本沒戲。靠電磁波信號，追溯到宇宙誕生初期的樣子，是不可能的。
宇宙大爆炸后宇宙暴脹階段也會產生引力波，這叫做原初引力波。原初引力波演化到今天已經很弱了，但還是可以想辦法測量出來。引力波是廣義相對論現(xiàn)象，宇宙暴脹是量子現(xiàn)象，原初引力波可以將二者聯(lián)系起來，一旦檢測出原初引力波的樣子，就有可能推斷出宇宙創(chuàng)生的歷程中的一些信息，尤其是推斷出引力是如何出現(xiàn)的，進而就有線索找到統(tǒng)一相對論與量子論的理論。大爆炸和原初引力波（圖源：universetoday.com）
甚至更進一步，隨著原初引力波往宇宙起點追溯，洞察出宇宙四種基本作用力如何融合為一種基本作用力，這就有可能指引物理學家找到大統(tǒng)一理論，完成愛因斯坦的未竟之夢。天文技術新跨越
要使引力波天文學發(fā)揮以上提到的威力，需要營建更尖端的引力波觀測設施。很多設施已經在推進中。
LIGO位于華盛頓州漢福德的激光干涉儀（圖源：維基百科）
目前正在工作中的引力波探測裝置有三個，其中兩個屬于美國的激光干涉引力波探測器（LIGO），另一個屬于歐洲的室女座引力波探測器（Virgo）。LIGO將在未來幾年內再次升級改造，將靈敏度再提高一倍。Virgo的激光干涉儀（圖源：LIGO網(wǎng)站）
不過，LIGO和Virgo繼續(xù)改進的空間很有限了。下一代更大更精密的引力波探測器已經在建設或計劃中了。日本的神岡引力波探測器（圖源：wikipedia）
有望在2019年末投入運行的探測器是日本的神岡引力波探測器（KAGRA），這將是世界上第一個位于地下的引力波探測器，屏蔽噪音和振動的能力空前提高，這個裝置另一改進之處在于，反射鏡置于超低溫條件下，進一步增強靈敏度和信噪比。歐洲正在建設世界上第一座位于太空中的引力波探測器——激光干涉空間天線（LISA），計劃在2034年發(fā)射升空。在太空探測引力波，可以徹底消除地面震動噪聲的干擾，便于探測低頻引力波。LISA的藝術概念圖（圖源：維基百科）
中國大手筆推進引力波研究，出手就是三個大的項目，阿里計劃、天琴計劃、太極計劃，地面和太空兩路并進。阿里計劃全稱是“阿里原初引力波探測實驗”計劃，于2017年在海拔5250米的西藏阿里啟動建設阿里原初引力波觀測站。阿里計劃的目標是探測原初引力波，阿里地區(qū)海拔高、大氣稀薄、水汽含量低，自然條件得天獨厚。2018年11月，阿里原初引力波觀測站一期基建工程基本完工。阿里計劃將于2020年開始觀測，有望完成世界上首次觀測到原初引力波的壯舉。天琴計劃和太極計劃都是在太空測量引力波的裝置，只是天琴計劃的衛(wèi)星繞著地球轉，而太極計劃的衛(wèi)星繞著太陽轉。天琴計劃由中山大學發(fā)起，2015年正式啟動。該項目將向距地球10萬公里軌道上發(fā)射三顆衛(wèi)星，圍繞地球組建邊長為17萬公里的等邊三角形衛(wèi)星陣列，像在太空中架了一把豎琴，宇宙中的引力波傳過來，則會撥動“琴弦”，因此命名為“天琴計劃”。太極計劃由中國科學院實施，由3顆繞太陽運轉的衛(wèi)星組成，呈正三角形編隊，每顆衛(wèi)星之間相距300萬公里。（圖源：NASA）
引力波天文學已經是一門成熟的天文學了，在天體觀測方面，已經小試牛刀，鋒芒畢露且看將來世界各大引力波探測裝置投入運行之后。引力波天文學或許會為提出超越廣義相對論的引力理論提供線索。楊振寧曾說：“假如一個年輕人，他覺得自己一生的目的就是要做革命性的發(fā)展的話，他應該去學習天文物理學。”現(xiàn)在，是不是可以更具體地說，學習引力波天文學？引力波天文學，中國也適逢其會?？茖W盛事，中國不再缺席。小賽：很多志向遠大的物理青年學子和學者，嘆息生不逢時，革命性理論讓老一輩先摘了果子，現(xiàn)在，機會來了！參考資料
[1] 多信使天文時代：人類用引力波和電磁波邊聽邊看宇宙 https://tech.sina.com.cn/scientist/2018-12-28/doc-ihqhqcis0815552.shtml
[2] 見證雙子星合并 多信使天文學時代正式開啟 http://www.astron.ac.cn/bencandy-2-15534-1.htm
[3] https://www.ligo.caltech.edu/page/press-release-gw170817
[4] https://www.space.com/38471-gravitational-waves-neutron-star-crashes-discovery-explained.html
[5] The Pasta in Our Stars https://www.theatlantic.com/science/archive/2018/10/neutron-stars-nuclear-pasta/573166/
[6] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BC%95%E5%8A%9B%E6%B3%A2%E5%A4%A9%E6%96%87%E5%AD%A6
[7] Gravitational waves will let us see inside stars as supernovae happen https://phys.org/news/2017-09-gravitational-stars-supernovae.html
[8] 探測原初引力波：中國來了 https://biznext.qq.com/a/20170106/026031.htm
[9] Four big cosmology secrets gravitational waves could uncover https://www.newscientist.com/article/2078129-four-big-cosmology-secrets-gravitational-waves-could-uncover/
[10] The Future of Gravitational Wave Astronomy https://www.scientificamerican.com/article/the-future-of-gravitational-wave-astronomy/
[11] Gravitational wave astronomy with LIGO and similar detectors in the next decade https://arxiv.org/pdf/1904.03187.pdf
[12] “阿里計劃”明年冬季開始觀測 http://www.sohu.com/a/305898753_119022
[13] http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2018/10/340187.shtm
[14] 空間引力波探測太極計劃 https://indico.itp.ac.cn/event/1/contributions/17/attachments/18/18/pdf
文章頭圖及封面
文章頭圖及封面圖片來源：THEN ONE/WIRED
