在星海里找寻时空涟漪

谢博

引力波，也许是您近期接触的最有科技感，最神秘的一个词汇了。“忽如一夜春风”，关于它的讯息在互联网上百花盛开。这里我们想再拉高一下层次，跟您聊聊中国准备在太空中探测引力波的事情。

引力波是什么波

在我们的生活中常会听到无线电波、电磁波、声波、光波等词，引力波也是波的一种。既然称之为引力波，它必然与引力有关。

17世纪末的物理学家牛顿看到苹果落下后，意识到物体之间普遍存在的一种力，称之为引力，并且将其数学化，这就是众所周知的万有引力。万有引力概念的精髓是物体质量的存在导致了引力。

1915年爱因斯坦发表了广义相对论，提出了一种完全不同的对于引力的看法，预言引力是由于质量对时空造成了变形所导致，而非质量之间的吸引。引力波是时空自身的波动，无线电波（或者电磁波）仅仅是在时空之中传播，时空是它的媒介。

根据广义相对论，引力源于大质量物体和可塑时空结构的相互作用，爱因斯坦预测加速运动的大质量物体，如中子星或黑洞形成、超新星爆发、超大质量黑洞碰撞等，会对时空结构产生扰动，从而产生在整个宇宙中传播的引力波。因此引力波的本质就是时空曲率的波动，也可以唯美地称之为时空的“涟漪”。

換句话说就是，光波、电磁波等是时空结构中的某个物质在运动，而引力波是时空结构本身在发生波动。或者说光波、电磁波就像房子里有人在走动，而引力波就如同房子自身在波动。

它来自什么地方

如果将时空视作海洋，那么天体就如同海洋生物一般。可以想象，如果大海中的某个生物摇了摇尾巴、或是晃了晃头，海水由此所产生的波动就会向外传播。与此类似，宇宙中某个天体的剧烈活动，会对所在的时空产生扰动，时空自身的波动也会向远处传播，如果足够强，就能够为地球上的人类所感知。

时空犹如一大片无限扩展的弹性网格，天体是在其上面滚动的小球，它们互相影响：时空网格的形状因天体小球重量而弯曲，天体小球的运动轨迹又因时空网格的弯曲而改变。时空弯曲所产生的波动和变形并非永远留在物体附近，有可能通过宇宙向外传播，就像地震产生的地震波。不同于地震波的是，引力波可以以光速在空荡荡的空间中旅行穿梭。

宇宙中存在大量大质量、高速运动的天体，它们提供了天然的引力波源。根据宇宙中天体运动性质的不同，天体引力波源可分为爆发和连续两大类。除此以外，宇宙中还存在大量频谱相互重叠的引力波源构成的宇宙随机背景引力辐射。在星辰大海中，天体撼动宇宙时空，产生的引力波以光速传播，它与物质的相互作用极弱，所以引力波可以给人类提供宇宙几乎无阻挡的图景，而电磁波却不能。比如，利用引力波，人类可以看到宇宙的最早期，即宇宙大爆炸之后刚开始的宇宙形成过程，而电磁波只能提供宇宙大爆炸一段时间之后的宇宙信息。所以引力波是了解宇宙形成的最好工具，通过它能进一步探测和理解宇宙中的物理演化过程，为恒星、星系、乃至宇宙自身现有的演化模型提供新的证据。

从预言到探测用了100年

为什么从预言引力波到探测引力波相隔了100年之久？主要是相比较其它的几种力（强力，弱力，电磁力），引力是最弱的，相应的引力波效应也就很弱。引力波是时空的自身变形，在一个方向上被拉伸，在其垂直的另外一个方向上就会被压缩。人类被同样的双黑洞系统在合并时所产生的引力波所击中的话，也会经历一个稍微变高变瘦，然后变胖变矮一些的过程，但导致的变化大约只有一个氢原子的500亿分之一。

由于引力波的效应极小，所以探测它时一方面要增加测量臂的长度，来增强变化的效应，另外一方面要通过巧妙的方法来探测到微小的变化。因为在波速不变的情况下，波长与频率成反比。而测量臂长越长，对越长的波长更敏感，即对更低的频率更敏感。美国激光干涉引力波天文台在建造之初就考虑到这一特性。

该天文台是在美国路易斯安那州的汉福德和华盛顿州的列文斯顿这两个相距数千千米的地方各建造了1个一模一样的激光干涉引力波探测器，利用迈克尔逊（Michelson）干涉仪原理测量引力波。每个探测器都拥有边长均为4千米且互成直角的L形测量臂。每边测量臂内是高度真空的管子，测量臂两端各有大约直径34厘米、重达40千克的反射镜面。探测器所配激光器发出的激光经分光镜后分成相互垂直的两束激光沿着L形测量臂前进，然后被臂端的反射镜反射回来，由光电接收器记录两束反射光的相位差变化，如果其干涉条纹发生了变化，就说明探测到了引力波。一般情况下，在没有引力波通过测量臂时，两束反射光的相位差为零，即激光由于干涉而互相抵消，探测器接收不到激光信号；但当有引力波经过测量臂时，便会改变激光通过的距离，两臂长度随时空发生变化，两束反射光的相位差越大，光电接收器的输出越强，从而能探测到引力波。

这相当于从太阳到半人马座阿尔法星（距离太阳最近的恒星）的尺度上测量一根头发丝的粗细变化。之所以在2个相距较远的州建造2个孪生引力波探测器是为了最大限度地排除地面干扰，比如交通或地震产生的干扰，从而彼此进行相关验证，排除偶然因素导致的误判。

2015年9月14日，美国激光干涉天文台的这对引力波探测器终于同时探测到了距离地球13亿光年之外的一个遥远星系中两个黑洞产生了非常强烈的时空振荡，即引力波。人类首次开始听到宇宙的声音。其实，这次引力波所造成的变化也是极其微小的，在4千米测量臂内也仅仅只变化了一个氢原子直径的2500万分之一。

这次探测到引力波的波源是遥远宇宙空间之外的双黑洞系统。其中一个黑洞36倍于太阳质量，另一个29倍于太阳质量，两者碰撞并合成一个62倍太阳质量的黑洞。36+29=65，但之所以不是65，是因为有3个太阳质量的物质转化成了巨大的能量释放到太空中，正因为有如此巨大的能量辐射，才使远离这两个黑洞的小小地球上的人类探测到了碰撞融合之后传来的已经变得很微弱的引力波。

得天独厚有优势

从21世纪初起，美国、意大利、法国和日本等多个国家都建立了千米级的地面激光干涉仪引力波探测设施。然而，由于引力波非常微弱，所以迄今为止，只有美国这次率先直接探测到引力波，也许单纯因为美国引力波探测器的臂长最长。

其实，地面引力波探测设施会受到地面震动噪声、热噪声、引力梯度噪声等噪声的影响，探测器的臂长也非常有限，因此如果要探测更为微弱的低频引力波（频率为10^-4～10^-1赫兹），最佳办法是把干涉仪放到太空上进行探测。

中低频引力波源主要来源于中等质量的致密双星（黑洞、中子星、白矮星）和宇宙大爆炸早期产生的引力波。近些年来基于地面的引力波探测实验装置，受空间距离的限制和地球重力梯度噪声的影响，无法探测低于10赫兹的中低频引力波，使其研究目标变得较为有限。为此，一些国家的科学家正在加紧开展在太空探测引力波的研究计划。在太空中没有地球噪声干扰，人们可以去探测更宽频率的引力波，及其背后所蕴含的重大科学问题，用空间激光干涉法测量中低频引力波将是天文学和空间宇宙物理最前沿的课题。

引力波的频率很宽，就好像交响乐，宇宙之音也分低音、中音、中高音和高音。美国激光干涉天文台等地面引力波探测器是探测宇宙乐章的高音，而欧洲航天局的激光干涉仪空间天线（USA）计划和我国的空间太极计划、天琴计划等将探测宇宙乐章的中高音。

欧洲派出探路者

由于在太空探测引力波具有明显的优势，所以一些国家纷纷制定了在太空探测引力波的计划，有的已开始实施。

1993年，欧洲航天局（ESA）首先提出了LISA计划，拟在太空探测中低频波段（10^-4～10^-2赫兹）的引力波。原计划与美国合作于2034年左右发射由3颗各相距500万千米，装有激光发射和接受装置的相同卫星组成一个等边三角形，进行空间引力波探测。卫星之间通过激光束链接。卫星之间的距离即为干涉仪的测量臂长，它决定了可测量的频率范围。精心选择臂长可以保证观测到大多数感兴趣的引力波辐射源。这3颗运行在日心轨道卫星可构成一个巨型迈克尔逊干涉测量仪，能通过激光测量仪测量航天器之间距离的微小变化，从而进行引力波的探测。

后由于经费和计划变更等原因，美国于2011年退出了合作。于是欧洲科学家又提出了将LISA中3颗一样的卫星改为一颗母星带两颗伺服子星的修改版LISA（即eLISA）计划，其测试臂长100万千米。为此，欧洲在2015年12月3日先发射了1个用于验证LISA关键技术的航天器，它叫“LISA探路者”（USA-Pathfinder）。

该航天器并不能直接探测引力波，因为对于相距1米的两个物体而言，低频引力波只能引起物体10^-24～10^-21。米的位移，这比原子核的大小（10^-15米）还要小几个数量级。“LISA探路者”上的两个检测质量块距离仅为0.35米，所以无法测量到低频引力波引起的位移。但在未来的LISA引力波探测任务中，检测质量块之间的距离，即空间干涉仪的测量臂长将达到500萬千米，那时可以测量到低频引力波引起的位移。

中国要上天弹“琴”

2015年7月份，我国探测引力波的天琴计划在中山大学正式启动，预计投资约150亿元人民币。该计划将像欧洲的LISA一样，采用3颗全同的卫星构成一个等边三角形阵列。卫星采用高精度无拖曳控制技术，以抑制太阳风、太阳光压等外部干扰。卫星之间用激光精确测量由引力波造成的距离变化。

每颗卫星内部都包含一个或两个极其小心悬浮起来的检验质量块。卫星实时控制姿态，使得检验质量块始块终保持与周围的保护容器互不接触的状态。与LISA或eLISA不同的是，天琴计划的卫星将在以地球为中心、高度约10万千米的轨道上运行，针对确定的引力波源进行探测。这样的选择能够避免测到引力波信号却无法确定引力波源的问题，而且有望帮助节约大量卫星发射方面成本。

为了满足“天琴”卫星对入轨精度的要求，将先完成月球和深空卫星激光测距技术，帮助实现对天琴卫星毫米级的定轨精度；然后发射1颗卫星到约700千米高的轨道来进行空间等效原理检验实验；接着，发射2颗卫星到400千米高的轨道，借助激光测距对全球重力场进行高精度测绘；最后，发射3颗星进行空间引力波探测实验，探测引力波，但预计要到2030年前后了。

天琴计划能严格验证爱因斯坦理论。按照爱因斯坦理论，引力波是按照光速运动，美国激光干涉引力波天文台就是假定引力波以光速到达地球、但是到底是不是真的以光速到达地球呢，用天琴卫星可以检验。因为天琴卫星可以用光学手段看到双星系统目标对象。由于天琴卫星可探测低频段的引力波，因此能探测到比美国激光干涉引力波天文台更大质量的黑洞，即探测到相当于几万个太阳质量以上的黑洞。中国的空间太极

就在美国探测到引力波后不久，2016年2月16日，中国科学院公布了其空间太极计划。它有两个方案。方案一是参加欧洲航天局的eLISA双边合作计划。空间太极计划涉及学科领域和前端技术广泛，需要许多先进技术。例如，稳频和锁相的大功率激光器和激光干涉系统，用无拖曳技术控制的高精度光学平台，测量超低重力水平的惯性传感器，控制各种噪声以分辨出引力波引起的微小距离的变化（10^-12米）。目前，我国的技术能力与国际先进水平还有一定的差距，所以通过良好的国际合作可以得到一定的弥补。

方案二就是在2030年独立发射3颗卫星组成的引力波探测卫星组，与2034年左右发射的eLISA卫星组同时邀游太空，探测中低频引力波。届时，中国卫星组与eLISA卫星组同时在空间独立进行引力波探测，互相补充和检验测量结果。位于等边三角形顶端的这3颗卫星之间的距离为300万千米（臂长），激光功率约2瓦，望远镜口径约0.5米。其技术指标在总体上优于欧洲LISA的要求。其主要科学目标是探测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射，以及其它的宇宙引力波辐射过程。

责任编辑：武瑾媛