引力波，一个世纪的求索（二）
原铁杆天文爱好者，曾任南大天文爱好者协会会长。坚守着“道天制志天道，学文言研文学”的座右铭，终于走上了天文研究这条“不归路”。德国马克斯-普朗克引力物理研究所、清华大学博士后，研究引力波。
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引力波探测:于无声处听惊雷
在茫茫人海中，我遇到了你，你遇到了我，从此安定下来，想看两不厌，于是深情地跳起了华尔兹。我们转啊转啊转啊转，越转越近越转越快，华尔兹变成了探戈，舞步也愈加疯狂，更加热烈，直至最后一往情深地合二为一，你中有我，我中有你⋯⋯
别想歪了，我们这里说的不是言情故事，而是宇宙空间中真实存在的物理场景——两个致密的天体，比如中子星或者黑洞，在绕转过程中不断释放引力波辐射并带走动能，直至双星系统并合的过程。
上回我们说到，引力波的测量困难得异乎寻常，这并不是说引力波的源释放的能量微弱。恰恰相反，像上述的致密双星并合过程，应该说是宇宙中最为剧烈的事件之一。它所释放的能量，远远超出太阳一生释放能量的总和，而这么大的能量往往集中在最后的一秒之内爆发，所以在那一刻，整个宇宙中所有别的天体释放功率的总和都及不上它。
天体通过引力波释放的能量往往是惊人的。幸运的是，它几乎不和物质相互作用，这就意味着来自核心区域的信息可以畅通无阻地冲出来，传播到遥远的宇宙空间去。不幸的则是，它几乎不和物质相互作用，也意味着哪怕引力波携带着巨大的能量从探测器经过，也很难留下任何蛛丝马迹。
距离爱因斯坦第一次预言引力波的存在已经过去100年了，我们不妨回顾一下，脑洞大开的科学家如何于无声处听惊雷，寻找微弱的引力波信号后对应的剧烈物理过程。
上世纪 60 年代，美国马里兰大学的约瑟夫·韦伯建造了一个直径一米、长度两米的铝制圆柱体。当引力波经过圆柱体时，引力波会迫使圆柱在不同方向上不断地拉伸和压缩。这会在圆柱体内产生微弱的压力，而通过精密的压电感应器，就可以把这个压力改变灵敏地测量出来。更为巧妙地是，如果引力波的频率恰好和圆柱体本身的特征频率相符，就会引起共振，从而可以测量微弱得多的信号。
引力波经过物体时会使其不断发生拉伸和压缩。图片来源：Markus Pössel of Einstein Online.
在三维情境下，引力波经过时预计会造成这样一幅景象。值得注意的是，这些变化的尺度是非常非常非常小的。图片来源：Markus Pössel of Einstein Online.
1969 年，韦伯发表论文宣称，他探测到了引力波信号，稍后，他报告了更多的探测结果。这个消息立刻引发了一大波科学家的热议，许多人也开始搭建自己的共振棒探测器，试图重复韦伯的实验。然而，上世纪70 年代的大量观测显示，即使有着比韦伯更精密的仪器，在排除噪音干扰以后，连一个引力波事件都没有探测到。这表明，韦伯之前的所谓观测结果，很有可能只是来自地面的噪声。
韦伯和他的“韦伯棒”。图片来源：physics.umd.edu
虽然韦伯的发现在随后引来了一系列质疑，没有真实的探测也让人无比沮丧，但对引力波的热情已经点燃。从韦伯的教训中，我们或许学会了重要的一课了，那就是理解了数据处理在这个领域中的重要性。当下引力波研究的先驱者 LIGO 科学合作组织中，有近半数的科学家和科研投入是和数据处理息息相关的。
韦伯的工作吸引了来自不同领域背景的科学家，关于引力波探测，各种有趣的想法也开始涌现。在美国麻省理工学院开设光学相关课程的莱纳·魏斯心血来潮，提出了用激光干涉的方法测量引力波，并且把这个问题作为课堂作业抛给了他的学生。上世纪初，类似的想法就被用来寻找当时普遍认为的电磁波传播的介质——以太。
简单来说，一束激光在经过一个半透镜后朝向两个互相垂直的方向前进，通过反射镜反射回来并重新汇聚。汇聚后的激光由于干涉而相互抵消，然而一旦引力波经过，改变反射镜与半透镜的距离，干涉现象就会改变，从而测量到引力波。当然，纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。通常激光的波长是微米量级，而要测量的引力波通常却是微米的万亿分之一，真正实现用激光干涉测量引力波谈何容易！
正所谓有意栽花花不开，无心插柳柳成荫。美国加州理工的著名引力学家基普·索恩（还记得两年前的《星际穿越》吗？他是科学顾问兼制片人）关注到了这个新方法。在深思熟虑之后，他发现加上合理的改进，这一方法可以达到比共振探测器高得多的灵敏度。于是，在上世纪 90 年代，由加州理工和麻省理工合作主导的两个激光干涉引力波观测台（LIGO）正式开工建设。在升级了许多新技术以后，更新的高新激光干涉引力波天文台（aLIGO）于去年正式投入运行。两个LIGO探测器，都成巨大的L形，每一边都有4千米长。
看到这里，很多细心的朋友会有疑问，既然引力波可以改变时空，也就是说尺子的两端也会随着时空而改变长度，用激光去测量微小的距离变化，真的可以测量出来吗？能考虑到这一层着实不易，幸好，LIGO 的专家也不全是吃素的（当然，也确实有不少素食主义者）。早在LIGO建造之前，科学家就推导出了满满的公式。总结下来的意思就是，不管时空如何变化，唯一不变的永远是光速，用激光测量引力波，与其说是用激光当成尺子去量边长的变化，不如说是量光通过每一边时长的变化。巧合的是，在数字上，这个量和把激光当尺子测量的结果别无二致。
就好像声波分成低频的次声波、人耳可以听到的普通频率和高频的超声波，引力波也有频率之分。受限于地球上的诸多噪声，LIGO 可以探测高频的信号，比如双致密天体并合，但是对于频率低于 10 赫兹的引力波爱莫能助。相应的，就有人提出将激光干涉的方法搬到天上去。远离了地球，增加了干涉臂的长度，位于空间的太空激光干涉仪（LISA）的想法随之应运而生。这种低频引力波信号可能来自银河系内的双白矮星的绕转，或者中等质量黑洞的并合。
不同波段下探测引力波的方法，及对应的波源。图片来源：wikipedia.org
空间引力波探测的想法吸引了不少关注，其中也有中国科学家活跃的身影。由罗俊院士倡议的天琴计划就希望发射3颗地球轨道的卫星，在卫星与卫星之间形成激光干涉，从而测量引力波信号。不同于 LISA 的绕日轨道，天琴计划选择的地球轨道将大大降低发射的成本和难度。
除了激光干涉以外，脑洞大开的天文学家还把目光投向了脉冲星。脉冲星的精确计时让瑞士钟表相形见绌，而引力波通过地球和脉冲星之间时，会影响脉冲信号的计时信号。通过测量多个脉冲星的计时数据，天文学家可以等效于把整个银河系当成一个巨大的引力波探测器，当然，所探测的信号频率就要低得多，它能探测到的引力波波长甚至可以达到光年的尺度。在星系的形成过程中两个星系相互并合，而核心的超大质量黑洞也会随之联姻，脉冲星计时所测量的就是这种超大质量黑洞对的绕转了。
宇宙暴胀时期产生的原初引力波，可以通过研究宇宙微波背景辐射的偏振模式得到。在大爆炸过后的极短时间内，暴胀将极小尺度内的量子真空涨落放大到宇宙学尺度，并产生引力波辐射。这种极低频的原初引力波也影响着宇宙极早期的微波背景辐射，通过识别引力波特有的偏振模式，微波背景辐射的探测有望探测到来自宇宙创生时的第一声啼哭。2013 年，一个名叫BICEP2的团队宣称，他们在南极的微波望远镜揭示了原初引力波的存在证据。可惜的是，后续的研究表明，他们的观测只是星际尘埃引起的噪音。
BICEP2 团队测量的微波背景辐射的B模式偏振。图片来源: kipac.stanford.edu
在科学探索的道路上，永远充满着荆棘。即使智慧如爱因斯坦也不免犯错，霍金在科学上的打赌更几乎逢赌必输。在整整一个世纪的探索引力波的道路上，科学家经历了许多波折，也由此更加谨慎。作为一个拥有近千名科学家的大型合作组织，LIGO科学合作组织对待自己的数据非常谨慎，有些人甚至认为太过谨慎了。由于引力波探测的独特性，一旦LIGO宣布引力波的探测结果，将没有任何办法检验这一论断，所以LIGO科学合作组织需要绞尽脑汁，以便将来一旦发现引力波信号时，可以对信号的真实性有足够的自信。
2010年，还没有升级的LIGO进行了第6次科学运行，同时，位于意大利的VIRGO进行了第2及第3次科学运行。在LIGO和VIRGO联合观测前，事先确定了一个由3个人组成的秘密小组，他们有可能会在数据中人为地注入信号，所有其他成员都无从知晓这一过程的具体信息，所以称之为盲注。
2010年9月16日，LIGO和VIRGO同时探测到一个信号，方向大概来自大犬座，所以代号为“大犬事件”。这一令人激动的信息立刻让LIGO科学合作组织沸腾了。经过大量的研究工作之后，科学家准备好了用以发表的论文和新闻稿。
然而负责盲注的3人小组这时揭晓谜底: 这个信号的确是他们放的。
应该说，这个过程中消耗了大量科研人员的精力和时间，也让所有的成员都空欢喜一场。然而，正是本着这种严谨小心的态度，才意味着当LIGO向世人宣布探测结果的那一天会自信满满，也尽可能避免可能的乌龙局面。
（编辑：Steed；排版：Sol_阳阳）
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