人類迄今對(duì)宇宙觀測(cè)主要通過(guò)四種方式：電磁輻射、宇宙射線、中微子和引力波。2015 年 9 月 advanced LIGO 激光干涉儀實(shí)現(xiàn)了引力波的首次直接探測(cè)，開啟了引力波觀測(cè)宇宙的新窗口 [ 1 ] 。5 年前的今天，首例雙中子星并合的引力波信號(hào)—— GW170817 被成功捕獲，標(biāo)志著多信使天文學(xué)進(jìn)入新階段。

01

先行者的探索

在 1916 年，愛(ài)因斯坦在完成廣義相對(duì)論引力場(chǎng)方程之后，隨即預(yù)言了引力波。但是同時(shí)也認(rèn)為引力波的強(qiáng)度如此之小，或許人類永遠(yuǎn)無(wú)法探測(cè)到。值得一提的是在愛(ài)因斯坦之前，奧利弗 · 黑維賽 ( Oliver Heaviside ) 和亨利 · 龐加萊 ( Henri Poincaré ) 都有討論過(guò)引力波的存在的可能性 [ 2 ] 。

盡管愛(ài)因斯坦在 20 世紀(jì)初就預(yù)言了引力波，但是直到 1957 年在美國(guó)北卡羅來(lái)納州的 Chapel Hill 會(huì)議上，科學(xué)家對(duì)于引力波的物理屬性認(rèn)識(shí)才逐漸清晰。對(duì)于引力波研究，這是一個(gè)具有里程碑意義的會(huì)議，匯集了惠勒 ( Wheeler ) 、費(fèi)曼 ( Feynman ) 、施溫格 ( Schwinger ) 等著名物理學(xué)家，為期六天的會(huì)議深入探討了引力物理的諸多問(wèn)題，其中一個(gè)重要議題就是引力波是否具有實(shí)際物理效應(yīng)，更為具體的一點(diǎn)就是引力波是否攜帶能量？費(fèi)曼提出了理想實(shí)驗(yàn) " 粘珠實(shí)驗(yàn) ( Sticky bead argument ) " [ 3 ] ：

" 假定兩個(gè)珠子能夠在一根棒上自由滑動(dòng)，但具有輕微的摩擦，當(dāng)引力波經(jīng)過(guò)該實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，棒的長(zhǎng)度由于材質(zhì)間的原子作用力保持固定，而珠子受到引力波的作用在棒上摩擦滑動(dòng)，從而產(chǎn)生熱能 "。

這個(gè)理想實(shí)驗(yàn)解釋了引力波攜帶能量的屬性。 ( 這次會(huì)議也被稱為 GR1 會(huì)議，該系列會(huì)議每 3 年一次，2022 年的 GR23 會(huì)議在中國(guó)舉辦 ) 。

" 粘珠實(shí)驗(yàn) " 示意圖 [ 4 ]

在會(huì)議之后，與會(huì)的約瑟夫 · 韋伯 ( Joseph Weber ) 開展了引力波探測(cè)器的的設(shè)計(jì)，他所設(shè)計(jì)的棒狀探測(cè)器后來(lái)被稱為 Weber bars。他將兩個(gè)棒狀探測(cè)器分別布置于馬里蘭大學(xué) ( University of Maryland ) 和芝加哥附近的阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 ( Argonne National Laboratory ) ，兩個(gè)探測(cè)器相距約 950 km 用于排除局部環(huán)境噪聲對(duì)探測(cè)器的影響。

1969 年，韋伯發(fā)表了一篇 PRL 文章宣布探測(cè)到了引力波信號(hào)，并在隨后實(shí)驗(yàn)中探測(cè)到了多個(gè)源自銀河系中心方向的引力波信號(hào)。之后有多個(gè)國(guó)際團(tuán)組跟進(jìn)同類實(shí)驗(yàn)，然而并未探測(cè)到同類信號(hào)，同時(shí)，理論天體物理學(xué)家的計(jì)算也對(duì) Weber 的探測(cè)率進(jìn)行了否定。盡管此后學(xué)界已普遍不認(rèn)為韋伯探測(cè)到了引力波信號(hào)，但作為探測(cè)引力波的先驅(qū)，讓學(xué)界重新審視引力波探測(cè)的方法。

Joseph Weber 與其設(shè)計(jì)的棒狀引力波探測(cè)器丨圖源：Special Collections and University Archives, University of Maryland Libraries

02

引力波的間接觀測(cè)

1974 年，天文學(xué)家 Russell A. Hulse 和 Joseph H. Taylor 發(fā)現(xiàn)了脈沖雙星系統(tǒng) PSR B1913+16，并通過(guò)脈沖觀測(cè)發(fā)現(xiàn)了雙星相互繞轉(zhuǎn)過(guò)程中的軌道周期變化。根據(jù)廣義相對(duì)論，雙星繞轉(zhuǎn)將產(chǎn)生引力輻射，引力波帶走系統(tǒng)能量將導(dǎo)致其繞轉(zhuǎn)周期的縮短，連續(xù)觀測(cè)結(jié)果與廣義相對(duì)論的理論預(yù)言相互吻合。該觀測(cè)從側(cè)面證實(shí)了引力波的存在，也驗(yàn)證了引力波攜帶能量。Hulse 和 Taylor 兩人因發(fā)現(xiàn)新類型的脈沖星系統(tǒng)、開辟了研究引力的新途徑而獲得 1993 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

左：脈沖雙星系統(tǒng)示意圖 ( Credit: Michael Kramer ) ；右：PSR B1913+16 雙星系統(tǒng)軌道周期變化與廣義相對(duì)論理論預(yù)測(cè)對(duì)比圖 ( Weisberg and Huang 2016 ) 。

03

激光干涉引力波探測(cè)器

20 世紀(jì) 60 年代到 70 年代，激光干涉儀作為更具潛力的引力波探測(cè)裝置，美國(guó)、前蘇聯(lián)、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)和意大利紛紛對(duì)其相關(guān)技術(shù)展開了廣泛的研究，并形成了后來(lái)的多個(gè)激光干涉引力波探測(cè)器。

〇 LIGO 探測(cè)器：目前包含兩個(gè)臂長(zhǎng)為 4 km 的激光干涉儀，分別位于美國(guó)的華盛頓州 Hanford 和路易斯安那州的 Livingston ( 在建的第三個(gè)探測(cè)器位于印度 ) ，兩個(gè)探測(cè)器相距 3000 km ( 光程 10 毫秒 ) 。1990 年獲得美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì) ( NSF ) 支持，initial LIGO 探測(cè)器到 2002 年完成建設(shè)、設(shè)備安裝和工程調(diào)試，隨后進(jìn)行引力波信號(hào)搜尋工作，觀測(cè)持續(xù)到 2010 年，但并未探測(cè)到引力波信號(hào)。在 2010-2014 年 initial LIGO 被升級(jí)到 advanced LIGO，通過(guò)增加干涉儀光學(xué)鏡質(zhì)量、改進(jìn)隔震系統(tǒng)和懸掛系統(tǒng)等，在 2015 年升級(jí)完成并開始運(yùn)行，在觀測(cè)初期實(shí)現(xiàn)引力波的首次直接探測(cè) [ 5,6 ] 。

〇 Virgo 探測(cè)器：其名字源自于探測(cè)室女座星系團(tuán)范圍內(nèi)的引力波事件，隨著靈敏度的提升該名字已失去最初的意義。Virgo 探測(cè)器最初由法國(guó) CNRS 和意大利 INFN 聯(lián)合建立，兩個(gè)機(jī)構(gòu)分別于 1993 年和 1994 年先后批復(fù)了該項(xiàng)目，探測(cè)器臂長(zhǎng)為 3 km，位于意大利 Pisa 郊區(qū)的 Cascina。initial Virgo 的建成于 2003 年，之后持續(xù)觀測(cè)到 2011 年，之后對(duì)其進(jìn)行 advanced Virgo 升級(jí)。但由于多種因素的影響，直到 2017 年，advanced Virgo 才與兩個(gè) advanced LIGO 探測(cè)器聯(lián)合觀測(cè)。盡管 Virgo 探測(cè)器錯(cuò)過(guò)了首例雙黑洞并合的引力波信號(hào)，但沒(méi)有錯(cuò)失首例雙中子星并合的引力波信號(hào) [ 7 ] 。

〇 GEO600 探測(cè)器：是由德國(guó)和英國(guó)聯(lián)合建立的引力波探測(cè)器，探測(cè)器最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在德國(guó)北部的 Harz 山建立臂長(zhǎng)為 3 km 的地下激光干涉儀，然而在 1989 年，項(xiàng)目申請(qǐng)并未獲得資金支持。1994 年，探測(cè)器方案變?yōu)樵诘聡?guó)漢諾威 ( Hannover ) 郊區(qū)建立一個(gè)臂長(zhǎng)為 600 m 激光干涉儀，并于 1995 年開工建設(shè)，2002 年開始進(jìn)行觀測(cè)。受限于硬件條件，GEO600 的靈敏度不及 LIGO 和 Virgo 探測(cè)器，但由其所研發(fā)和測(cè)試的相關(guān)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于 LIGO 和 Virgo [ 8 ] 。

〇 KAGRA 探測(cè)器：是日本的地下激光干涉引力波探測(cè)器，位于著名的神岡中微子探測(cè)器附近，臂長(zhǎng) 3 km。相較于前面三個(gè)引力波探測(cè)器，KAGRA 探測(cè)器起步相對(duì)較晚，在 2010 年獲批，在 2019 年初步完成建設(shè)，目前探測(cè)靈敏度相較于 LIGO 和 Virgo 較低。不同于其他已建成的激光干涉儀，KAGRA 采用低溫技術(shù)以降低熱噪聲影響，該技術(shù)可能為未來(lái)靈敏度的改進(jìn)帶來(lái)新的技術(shù) [ 9 ] 。

四個(gè)引力波探測(cè)器鳥瞰圖 : LIGO-Hanford ( 左上 ) ，LIGO-Livingston ( 右上 ) ，GEO600 ( 左下 ) 和 Virgo ( 右下 ) 。丨圖源：LIGO/GEO/Virgo Collaboration

04

首例引力波直接探測(cè)— GW150914

2015 年 9 月 14 日，advanced LIGO 的兩個(gè)探測(cè)器同時(shí)觀測(cè)到一個(gè)引力波信號(hào)，信號(hào)由兩個(gè)雙黑洞并合所產(chǎn)生，其質(zhì)量分別為 36 個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量和 29 個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，距離地球大約 410 Mpc，兩者并合后形成一個(gè) 62 倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，其中有 3 個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的能量被引力波信號(hào)帶走。得益于兩個(gè)探測(cè)器相距 3000 km，通過(guò)分析信號(hào)到達(dá)不同探測(cè)器的時(shí)間，可以得到得到波源的空間方位，其原理如下圖所示。

左：引力波探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)空間定位原理；右：及 LIGO-Virgo 部分探測(cè)事件的空間定位示意圖丨圖源：LIGO/Virgo/NASA/L. Singer。

當(dāng)兩個(gè)探測(cè)器同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，根據(jù)到達(dá)時(shí)間可以將其定位在一條條帶上，條帶的寬度正比于對(duì)到達(dá)時(shí)間測(cè)量的精確度。當(dāng)有多個(gè)探測(cè)器同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，則可以對(duì)波源進(jìn)行準(zhǔn)確定位，以便于進(jìn)行后續(xù)的電磁對(duì)應(yīng)體觀測(cè)，這也是建立引力波探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要目的。

LIGO 兩個(gè)探測(cè)器所探測(cè)的 GW150914 信號(hào) [ 1 ]

GW150914 的探測(cè)結(jié)果經(jīng)過(guò) 5 個(gè)月左右的仔細(xì)分析，于 2016 年 2 月 11 日對(duì)外發(fā)布。2017 年 Rainer Weiss, Kip Thorne 和 Barry Barish 三位因?yàn)閷?duì)引力波探測(cè)的決定性貢獻(xiàn)，被授予 2017 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。GW150914 的探測(cè)標(biāo)志著引力波天文學(xué)的正式開啟。

05

首例雙中子星并合引力波信號(hào)探測(cè)— GW170817

2017 年 8 月 17 日 LIGO 和 Virgo 同時(shí)觀測(cè)到一個(gè)源自于雙中子星并合的引力波信號(hào)— GW170817 [ 10 ] 。盡管當(dāng)時(shí)的 Virgo 的靈敏度較差，但是依然能夠協(xié)助 LIGO 進(jìn)行波源空間定位。與此同時(shí)，并合發(fā)生 1.7s 后所產(chǎn)生的短伽馬射線暴也被 Fermi 衛(wèi)星上 GBM 所觀測(cè)到，其他波段的電磁對(duì)應(yīng)體也在后續(xù)的觀測(cè)中被發(fā)現(xiàn) [ 11 ] 。GW170817 的探測(cè)及其電磁對(duì)應(yīng)體的觀測(cè)標(biāo)志著多信使天文學(xué)進(jìn)入新階段。

LIGO-Virgo 探測(cè)器所探測(cè)的 GW170817 信號(hào)時(shí)頻圖 [ 10 ] 。

06

多波段引力波天文學(xué)

以 LIGO 為代表的地面激光干涉引力波探測(cè)器，致力于探測(cè)器 10 Hz — 1000 Hz 頻段的高頻引力波，其代表性波源包括恒星級(jí)致密雙星系統(tǒng)的并合、旋轉(zhuǎn)中子星、超新星爆發(fā)，以及隨機(jī)引力波信號(hào)等。其他波段的引力波探測(cè)也在積極開展 [ 12 ] ：

引力波波譜及其對(duì)應(yīng)波源和探測(cè)方案丨圖源：NASA Goddard Space Flight Center

〇 低頻引力波 ( 10-4 Hz — 1 Hz ) ：目前探測(cè)低頻引力波的方案基于十萬(wàn)至百萬(wàn)公里的空間激光干涉儀，代表方案包括歐洲的 LISA、中國(guó)的太極計(jì)劃和天琴計(jì)劃。典型波源包括大質(zhì)量黑洞并合、極端質(zhì)量比旋近、恒星級(jí)致密雙星的早期旋進(jìn)和隨機(jī)引力波信號(hào)。

〇 甚低頻引力波 ( 10-9 Hz — 10-6 Hz ) ：探測(cè)方案基于通過(guò)分析不同方向脈沖星的信號(hào)到達(dá)時(shí)間，構(gòu)成脈沖星計(jì)時(shí)陣列 ( PTA, pulsar timing array ) 來(lái)探測(cè)引力波。目前國(guó)際上的相關(guān)組織團(tuán)隊(duì)包括：北美的 NANOGrav，歐洲的 EPTA，澳洲的 PPTA，中國(guó)的 CPTA 等。典型波源包括超大質(zhì)量黑洞并合和隨機(jī)引力波信號(hào)。

〇 極低頻引力波 ( 10-18 Hz — 10-15 Hz ) : 該頻段的引力波可能產(chǎn)生于宇宙早期的各種物理過(guò)程，目前的通過(guò)觀測(cè)宇宙微波背景輻射的偏振來(lái)進(jìn)行探測(cè)，代表的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)包括南極的 BICEP 和中國(guó)西藏的阿里計(jì)劃等。

引力波作為人類認(rèn)識(shí)宇宙的新窗口，未來(lái)多波段引力波的觀測(cè)，以及多信使的觀測(cè)，將極大推進(jìn)我們對(duì)于宇宙中極端條件下的天體物理過(guò)程的理解。