引力波天文学：聆听宇宙的脉动

引力波天文学的诞生标志着人类观测宇宙的方式发生了根本性的变化。过去，天文学家只能依赖可见光、X射线、无线电波等电磁波来观测宇宙。比如光学望远镜可以捕捉星光，射电望远镜可以捕捉无线电波。但宇宙中有些现象，如黑洞并合、中子星碰撞等，难以通过电磁波观察到。而引力波的发现为我们提供了另一种探索宇宙的途径——通过时空的波动，科学家们得以“聆听”宇宙中最剧烈、最神秘的事件。

图 致密双星的并合事件,黑洞周围的彩色轮廓代表数值模拟的引力波振幅

引力波的概念最早由阿尔伯特·爱因斯坦在1916年根据他的广义相对论提出：时间的一维性和空间的三维性共同组成“四维时空”的概念，四维时空描述着太空中的引力源所产生的引力场，它的结构改变会带来时空曲率的改变，也就是说，引力并不是一种“力”，而是由物质引起的时空弯曲。每当有大质量天体存在，它们会让周围的时空发生弯曲，而物体沿着弯曲的时空轨迹运动，这就是我们所感知到的“引力”。

虽然爱因斯坦早在1916年就预言了引力波的存在，但直到近一个世纪后，科学家们才终于直接观测到它们。位于美国的LIGO（激光干涉引力波天文台）于2016年2月11日宣布探测到了人类历史上的第一道引力波。这是一个里程碑式的发现，直接验证了爱因斯坦的预言，同时标志着引力波天文学的诞生。LIGO探测到的引力波来自两个相距13亿光年的黑洞并合事件。这两颗质量分别约为29倍和36倍太阳质量的黑洞在太空中旋转、加速，最终碰撞并合，形成一个更大的黑洞。这一极端事件在短短0.2秒内释放出的能量相当于三倍太阳质量的质量转化成了引力波，震动了宇宙的时空，并向外扩散。这些引力波经过漫长的旅程，最终被LIGO在地球上捕捉到。引力波的发现让我们从“视觉宇宙”转向了“听觉宇宙”，我们不再局限于光波的观察，而是开始“聆听”宇宙的脉动。

图 位于美国华盛顿州汉福德（左）路易斯安那州利文斯顿（右）的激光干涉引力波天文台

爱因斯坦的预言：引力波的理论基础

在广义相对论的框架下，如果一个大质量天体在加速运动，比如两颗黑洞互相绕转并合，或中子星相撞，它们会搅动周围的时空。这种搅动会产生波动，类似于在水面上抛石子后产生的涟漪，只不过这些波动不是在水面上传播，而是在整个时空中传播。这些时空波动就是引力波，它们以光速在宇宙中传播，带走能量和信息。而我们把引力波比喻为宇宙的“声音”，是因为它们与声波有某种相似之处。引力波的波形由振幅和频率描述，就像我们在空气中感受到的声音是由物体振动引发的声波传递到我们的耳朵一样，引力波是由天体剧烈活动导致的时空波动，并以光速在宇宙中传播。当这些波动到达地球时，它们会引起极其微小的时空扭曲，类似于微弱的振动。通过先进的探测仪器，我们能够捕捉这些时空的“振动”，进而“听到”宇宙深处的事件。

要更好地理解引力波，可以将时空想象成一张橡胶布。当你在布上放置一个重物时，布会发生弯曲，这就类似于天体引起的时空弯曲。如果你突然移动这个重物，布面上会产生波动向外扩展，这些波动就是引力波。

同样，宇宙中的大质量天体如黑洞、恒星或中子星，在发生剧烈运动时，会让周围的时空产生涟漪，这些涟漪就是引力波。不同的是引力波并不会消失，而是会一直传播。这就是为什么即便是亿万光年之外发生的黑洞并合事件，我们也有可能通过捕捉这些引力波信号来探测到。

图 引力波的频段范围

引力波的产生与探测

在发生剧烈的宇宙活动时会产生足够强烈的引力波，例如以下一些主要的引力波来源：

超大质量黑洞双星的并合

当两个质量极其巨大的黑洞相互靠近并绕转时，最终它们会合并为一个更大的黑洞。这个过程释放出大量能量，产生的引力波信号十分强烈。超大质量黑洞通常存在于星系的中心，合并时产生的引力波可以跨越宇宙数十亿光年。通过观测这种现象，科学家们能够研究黑洞的形成和星系演化的过程。

极端质量比黑洞双星的绕转

这种情况发生在质量差距非常悬殊的两个黑洞之间。一个是超大质量黑洞，另一个则是一个质量相对较小的黑洞（或中子星）。小黑洞围绕着大黑洞旋转，产生的引力波信号非常精细。科学家通过研究这种系统，可以了解在极端引力环境下物质的运动规律，以及黑洞的性质。

银河系内致密双星的绕转

银河系内部也存在着许多双星系统，其中一些由极其致密的天体组成，如中子星或白矮星。当它们相互绕转时，虽然释放的引力波较弱，但这些信号相对更加稳定并且易于长期监测。这些双星系统的研究有助于我们了解恒星的演化过程，以及致密天体之间的相互作用。

随机引力波背景

这种引力波源不是来自于某一个具体的天体系统，而是来自宇宙中的“噪声”。这些引力波可能源于宇宙早期的剧烈事件，比如大爆炸或其他大规模的宇宙结构演化过程。

尽管引力波携带着宇宙中最剧烈事件的信息，但它们到达地球时已经极其微弱。由于引力波是时空的微小“涟漪”，当它们经过地球时，它们引起的时空扭曲的幅度比原子核的直径还要小。而除了信号本身极其微弱，地球上还存在各种噪声干扰，如地面震动、空气流动，以及人类活动等影响。为捕捉如此微弱的信号，就需要极高精度的设备。

为了解决探测难题，科学家们对激光干涉仪进行了进一步开发。激光干涉仪通过测量两条相互垂直的激光路径长度变化，来捕捉引力波引起的时空扭曲。，在激光干涉仪中，有两条相互垂直的臂，每条臂都有一束激光来回反射。当引力波经过时，在引力波传播方向的垂直平面内的时空会引起伸缩变形，一条臂会变长，另一条臂会变短，产生距离上的极其微小的变化。而在引力波的下一个半周期，情况正好相反：原来拉长的臂变短，原来缩短的臂变长。通过测量这些微小的臂长变化，科学家们可以捕捉到引力波的存在。再进一步地分析引力波的“波形”可，则可了解引力波源的质量。

图 引力波对迈克逊激光干涉仪中检验质量的效应

前文介绍的最早宣布探测到引力波信号的 LIGO 属于地面引力波探测器，而另外一种是空间引力波探测器。其优势在于它们被部署在太空中，远离地球的各种干扰。在太空环境中，没有大气层的阻挡，也没有地球震动和自转的干扰，因此空间探测器能够捕捉到非常微弱、低频的引力波信号。而且空间引力波探测器通常由多个卫星组成编队，每颗卫星间的距离远远超过地面探测器的探测臂长度，内部都有自由漂浮的测试质量，通过超高精度星间激光干涉测量技术来精确测量引力波引发的微小距离变化。这种超长的探测臂能够使探测器对低频引力波极其敏感。这对于探测特定宇宙事件至关重要，因为低频引力波通常来自于超大质量黑洞合并、轨道周期较长的双星系统或大尺度的天体相互作用等，这些事件释放的引力波频率低于地面探测器的敏感范围。

由中国科学院主导太极计划便是空间引力波探测器的重要代表。太极计划预发射三颗卫星，形成300万公里的等边三角形编队。目前已成功发射了验证卫星Taiji-1，预计在2033年发射完整编队以探测低频引力波。

另外一项天琴计划是由中山大学发起，三颗卫星将围绕地球运行，形成约10万公里的编队。首颗验证卫星TianQin-1已于2019年发射，目标是在2035年实现完整的引力波探测系统。

图 国内外空间引力波编队构型

除了上述的方案，脉冲星计时阵和宇宙微波背景极化观测等方法也在不断发展。这些技术将帮助我们探测从超大质量黑洞合并到宇宙早期涨落产生的各种引力波，进一步丰富我们对宇宙演化、大尺度结构形成等深层次问题的理解。

参考论文

[1]郭宗宽,蔡荣根,张元仲.引力波探测:引力波天文学的新时代[J].科技导报,2016,34(03):30-33.

[2]林志勇.空间引力波探测自引力仿真技术研究[D].长安大学,2023.

作者：蔡文垂 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 研究生

审核：刘茜 北京天文馆研究员