NSR专题｜引力波天文学（特邀编辑：武向平）
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引 言
最近，引力波的发现开启了天文学和宇宙学的新纪元。引力波为探索宇宙的起源和自然界中的物理现象提供了一个全新的窗口。《国家科学评论》2017年第5期出版了“引力波天文学”专题，敬请收阅。
知社也特约国内相关领域一线年轻学者撰写了几个特别迷人的景点介绍，合成引力波天文学之系列刊发，以飨读者。秘密公开后，我们又第一时间邀请LVC成员进行了对这一科学问题的详细解读。在此一并奉上，带您了解引力波天文学的前世今生！
点击文末“阅读原文”或复制文中链接在浏览器打开可免费下载论文。
Special Topic: Gravitational Wave Astronomy
GUEST EDITORIAL
Xiang-Ping Wu
Listening to the Universe with gravitational waves
Natl Sci Rev (2017) 4 (5): 680, DOI: 10.1093/nsr/nwx021
https://doi.org/10.1093/nsr/nwx021
Xiang-Ping Wu
RESEARCH HIGHLIGHT
PHYSICS
Chunnong Zhao and David G Blair
First direct detection of gravitational waves
Natl Sci Rev (2017) 4 (5): 681–682, DOI: 10.1093/nsr/nwx089
https://doi.org/10.1093/nsr/nwx089
Chunnong Zhao
PERSPECTIVES
PHYSICS
Yi-Ming Hu, Jianwei Mei and Jun Luo
Science prospects for space-borne gravitational-wave missions
Natl Sci Rev (2017) 4 (5): 683–684, DOI: 10.1093/nsr/nwx115
https://doi.org/10.1093/nsr/nwx115
Jun Luo
Wen-Rui Hu and Yue-Liang Wu
The Taiji Program in Space for gravitational wave physics and the nature of gravity
Natl Sci Rev (2017) 4 (5): 685–686, DOI: 10.1093/nsr/nwx116
https://doi.org/10.1093/nsr/nwx116
Yue-Liang Wu
REVIEWS
PHYSICS
Rong-Gen Cai, Zhoujian Cao, Zong-Kuan Guo, Shao-Jiang Wang and Tao Yang
The gravitational-wave physics
Natl Sci Rev (2017) 4 (5): 687–706, DOI: 10.1093/nsr/nwx029
https://doi.org/10.1093/nsr/nwx029
Rong-Gen Cai
George Hobbs and Shi Dai
Gravitational wave research using pulsar timing arrays
Natl Sci Rev (2017) 4 (5): 707–717, DOI: 10.1093/nsr/nwx126
https://doi.org/10.1093/nsr/nwx126
George Hobbs
INTERVIEW
Hepeng Jia
We have confidence to lead gravitational-wave science: an interview with Yueliang Wu
Natl Sci Rev (2017) 4 (5): 718–720, DOI: 10.1093/nsr/nwx072
https://doi.org/10.1093/nsr/nwx072
Yue-Liang Wu
随着众望所归的引力波物理诺奖的颁发，高频引力波研究正大刀阔斧地开创着引力波天文学的新天地。大家都说引力波天文学时代已经开始，传说中的引力波新信号也是除了LVC之外人尽皆知的公开秘密。人人都想赶上这新时代，但是引力波天文学的新天地里，又会有怎样的绚丽风景呢？
以下是知社为您奉上的《高频引力波天文学之系列科普与科学发现解读》，快来看看吧！
特别声明：本系列科普文章都是相关学者基于他们将要申请、正在执行、或者已经结题的国家自然科学基金委支持的《国家自然科学基金项目》发展出来的，版权归作者所有。
100年前，当爱因斯坦预测引力波的存在的时候，他不曾想过，有朝一日，人类能够真正观测到引力波：这个效应是如此的微弱，无法察觉……而在2016年2月11日，北京时间23:30分，加州理工学院、麻省理工学院、LIGO科学联盟、以及美国国家科学基金会，向全世界宣布:我们真的探测到引力波!
相关论文，以Observation of Gravitaiton Waves from a Binary Black Hole Merger为题，在Physical Review Letters上发表。知社学术圈特邀请论文作者之一、LIGO科学联盟核心成员、加州理工学院陈雁北教授，和中国引力波专家、湖北第二师范学院范锡龙博士，撰文介绍引力波探测漫长曲折而又激动人心的经历，和一些鲜为人知的花絮。（参见：陈雁北: 爱因斯坦都不敢想象, 我们真的探测到引力波!|独家专访）
国际引力波探测联盟LIGO在2015年9月14日探测到了GW150914这个引力波信号。这一发现不仅直接证实了广义相对论的一个重要预言——引力波的存在，还为引力波天文学注入了无限的活力。
北京时间2016年10月3日下午5点45分，瑞典皇家科学院宣布将2017年诺贝尔物理学奖授予LIGO三剑客Kip Thorne，Rainer Weiss和Barry Barish，表彰他们在人类首次探测到引力波的卓越贡献。其中，多名中国学者在LIGO团队为引力波探测做出重要贡献，并在人类首次探测到引力波的PRL论文署名，共享这一荣光。（参见：LIGO三剑客荣获诺贝尔物理学奖, 中国学者共享荣光 |火线专访）
LIGO三剑客
那么，引力波的探测，究竟给天文学带来什么样的新机遇？在过去两年多的时间里，国内外的实测天文学家在关心什么？引力波天文学当前最重要的问题又是什么呢？答案非常简单，寻找LIGO引力波源的电磁对应体！
如果能证实电磁对应体的存在，那么多波段引力波天文学将掀开新的篇章。虽然这其中的不确定性太多，很难找到电磁对应体，但我们相信，通过五个要素，可以让我们无限接近答案。它们分别是：引力波源的概率密度天区、星表信息、多波段的交叉认证、多观测基站的交叉认证和时域观测信息。（参见：诺奖后的下轮豪赌: 寻觅LIGO引力波源的电磁对应体? | 引力波天文学之一）
近年来，有一项天文学前沿的研究对象，公众对其知之甚少。她是可观测宇宙中电磁学波段能量最高的爆发现象。她在10秒内爆发出的能量比太阳一生所释放的能量还要多。她如此高能，却难以捕捉；她如此神秘，又令人痴迷。这浩瀚无垠的宇宙中闪耀的倩影，正是——伽玛射线暴Gamma-ray Bursts（以下简称伽玛暴或GRB）。
至于为何伽玛暴的科普文章如此之少（几乎没有），是由伽玛射线暴的客观条件和历史原因决定的：首先，发现得晚；其次，难以观测捕捉；再次，目前还没有一个完美的理论模型。
21世纪，迎来了GRB观测的“黄金时期”，伽玛暴的“前世”即前身星的模型已基本敲定：分别是大质量恒星坍缩模型和双致密性星（如中子星、黑洞）的合并模型。对于后者，我们正在期待当前如火如荼的LIGO引力波观测能够发现决定性的证据——由致密天体并合所产生的引力波。（参见：宇宙中闪耀的倩影 -- 伽玛暴 | 引力波天文学之二）
LIGO已经探测到4次双黑洞并合事件。那它到底能不能探测到双中子星的并合事件呢？圈内已经定下赌约，以一瓶好酒为注。
位于贵州平塘县克度镇金科村的大窝凼洼地，坐落着世界上最大的单口径望远镜：500米口径球面射电天文望远镜（英文缩写为FAST）。FAST有若干个科学任务，而其中一个非常重要的任务就是接收来自一种被称为“脉冲星”的天体所发出的信号。
FAST望远镜
FAST观测脉冲星的重要科学意义之一，在于帮助天文学家研究中子星的内部结构，即致密物质的状态方程。如果LIGO能成功探测到两颗中子星并合的引力波信号，也有望帮助人们更好地理解中子星的状态方程。（参见：揭开“宇宙灯塔”的神秘面纱–从中国的FAST说开｜引力波天文学之三 ）
当然，引力波天文学能够做的事情远远不止于中子星，天文学家感兴趣的领域也远远不止中子星。知社引力波天文学系列第四篇文章，带大家探秘“哈勃常数”，追问引力波对这个宇宙学参数的回答。
哈勃常数H0是一个由哈勃定律引入的宇宙学基本常数，精确测定H0的值是精确计算宇宙学距离(正比于c/H0,其中c是光在真空中的传播速度)，以及宇宙学时间或宇宙年龄（正比于1/H0）的基本前提。然而，在精确宇宙学时代里，宇宙学里的基本参数之一“哈勃常数”的真实数值却越来越扑朔迷离。
引力波的春风同样为哈勃常数的测量带来了新希望。如果未来引力波及其电磁对映体或者宿主星系的数据能给出全新的独立的哈勃常数的测量，那无疑将是宇宙学的一个重要进展。（参见：测定哈勃常数:引力波对其贡献能有多大？｜引力波天文学之四 ）
引力波信号被观测到，对验证爱因斯坦的广义相对论同样意义深远。自1915年广义相对论被创建后，近百年的各类实验，都逐一验证了爱因斯坦广义相对论的各个方面，涉及了太阳系内的弱引力场、中子星表面的强引力场和黑洞这样更强的引力场等情况。
2015年9月，LIGO引力波地面干涉仪首次直接探测到了引力波信号。对引力波信号的复杂分析表明，从引力波反推出来的动态时空的演化情况与数值相对论中按照爱因斯坦的广义相对论演化的双黑洞系统基本一致。即，在高度动态的时空中，广义相对论“大体上”是对的。
爱因斯坦
爱因斯坦先生是彻底对了吗？不尽然。由于广义相对论与量子场论尚存在无法融合的矛盾、且广义相对论中预言了因果性破坏的“奇点”、再加上近几十年来暗物质、暗能量的观测，我们有理由相信，在某些未知的能标下、在某些未知的过程中，广义相对论需要得到修改，我们需要超越爱因斯坦的引力理论——可惜，广义相对论究竟在哪个尺度上是错的这件事情还是个“彻底的未知”。（参见：早安，爱因斯坦先生！|引力波天文学之五）
知社引力波天文学系列第六篇文章，带领大家一起领略了现代版的“比萨斜塔实验”——引力波时代的爱因斯坦弱等效原理检验。
等效原理是爱因斯坦广义相对论和其它引力理论的重要基石，爱因斯坦认为等效原理是他的“happiest idea”（“最开心的灵感”）。在未来的多信使观测时代，借助引力波信号及其电磁对应体信号，人们可以精确检验爱因斯坦广义相对论以及广义相对论和其它引力理论的基石之一——弱等效原理。如果未来真的能够探测到引力波源及其电磁波、中微子伴随信号，那么我们完全能够把对爱因斯坦弱等效原理的多信使检验扩展到引力波和光子、引力波和中微子窗口。（参见：弱等效原理的多信使检验｜引力波天文学之六 ）
双致密星并合在开辟引力波天文的道路上已经构建了如此多的美景，但这只是高频引力波天文学的一角，精彩才刚刚开始。知社引力波天文学系列第七篇，带领大家探秘天文学领域更多有趣的研究。
双星并合
首先是偏心率的作用。偏心率在引力波天文学上有很重要的用途，包括能够使激发出高频的引力波，从而有效扩展LIGO能看到的黑洞质量上限；另外，偏心率还可以帮助定位。目前，如何高精度并且快速地计算偏心率轨道辐射的引力波，仍然是一个有挑战性的工作。
其次是连续引力波。连续引力波对应的是一种长期稳定存在的引力波。但在实际操作中存在着很多问题，为寻找连续引力波的工作带来了挑战。由于其本身的难度并且探测器还没有达到最佳的设计精度，使我们目前还没有发现确信的连续引力波事件。随着未来更多地面引力波探测器例如KAGRA，LIGO印度探测器的加入，和不断改进的探测器灵敏度，越来越多的数据将被收集，在不久的将来自然将给我们带来更大的惊喜。
再次是随机引力波背景。当黑洞并合这样的引力波源发生于距离地球比较近时（大约几亿到几十亿光年以内），则可以被独立地从仪器噪声中提取出；而那些更遥远的波源虽然不能被单个识别出，它们的影响却可能被整体感知到。这种大量不可分辨的微弱引力波信号叠加在一起形成的就是随机引力波背景。我们期望未来地面引力波探测器能看到天体起源引力波璀璨的背景（2020年LIGO达到设计灵敏度的时候就有可能看到），更期待未来能有一些来自超越标准暴涨宇宙学的引力波背景信号的惊喜。（参见：更多源，更有趣 | 引力波天文学之七）
宇宙学正在经历一个快速发展的阶段，目前为止，所有的观测都是局限在电磁波窗口。人们通过对Ia型超新星，宇宙微波背景等的观测，对宇宙的形成与演化都有了很深刻的认识。然而，通过这两者得到的当前宇宙膨胀率即哈勃常数H0存在一个明显的矛盾（测定哈勃常数:引力波对其贡献能有多大？｜引力波天文学之四）。为了检查这个矛盾并且回答这样的问题，我们急需一种新的独立的直接测量H0的手段，并且要求这个手段测量精度能达到1%。
我们提出研究宇宙学的新天体物理系统：透镜化的引力波及其电磁对应体。它是一个多信使系统，即我们既能观测透镜化引力波的多个信号，同时也可以看到其电磁对应体的多像。这样的系统观测认证将是一个交叉确认的过程。
除了本项工作，另一项利用透镜化的引力波及其电磁对应体测量引力波速度的检验广义相对论引力理论的工作发表在PRL上（引力波速度测量新方法）。（参见：透镜化引力波电磁波宇宙学 | 引力波天文学之八 ）
2016年10月16日前，LIGO、欧洲南方天文台、我国紫金山天文台等机构纷纷发出预告，将于10月16日在全世界同步召开新闻发布会、宣布重大天文发现，大造山雨欲来风满楼之势。知社特邀华中师范大学物理科学与技术学院教授、博士生导师俞云伟教授，为你解读中子星并合引力波探测的前世今生。（参见：举世关注的明晚引力波大新闻, 有剧透! | 引力波天文学之九 ）
双星演化是恒星级双黑洞和双中子星形成的主要途径。引力波时代的全面到来，同时也带来了双星演化这一天文学经典研究领域的又一黄金时期。知社邀请到主要从事双星演化和应用方面研究的中科院云南天文台陈雪飞研究员和陈海亮副研究员，为大家带来双星演化和恒星级引力波源形成等方面知识的介绍。
引力波
天文学上预期的引力波源是什么，我们将采取何种探测方法？洛希模型和双星又如何相互作用，双星如何演化？双中子星系统又是如何被发现、建模的？从双中子星到恒星级双黑洞，这期间经历了怎样的变迁？引力波时代，双星演化研究又面临怎样的机遇？你都可以从这里找到答案。（参见：双星演化——恒星级引力波源的孕育和诞生之路）
最激动人心的时刻终于来到。2017年10月16日晚22点，NASA携全球数十家天文单位宣布了引力波探测史上又一革命性的发现，人类首次探测到了中子星并合的引力波信号GW170817及其电磁对应体伽玛暴，以及相应的贵重金属合成信号，终将这场始于2016年2月的引力波盛宴推至最高潮。
在这场长达两小时的新闻发布会上，LIGO执行主任大卫·莱兹（David Reitze）宣布，2017年8月17日，12点41分20秒(UTC)，也就是北京时间20点41分20秒，NASA的费米伽玛射线空间望远镜发出了一个GRB170817A的伽玛射线暴报警，这是一次到达时间在20点41分06秒的短伽玛射线暴。
知社还特邀加州理工学院的陈雁北教授和湖北第二师范学院的范锡龙副教授来对此事件做出了评述，发表《时空与物质、广义相对论与量子力学的完美结合》一文。（参见：量子力学与相对论翩翩起舞, 科学家在宇宙金矿挖论文金矿 | 引力波重磅）
天文学家们认定，这是一次双中子星的碰撞事件。这次发现对前文所述几项重要问题，有了进一步解答。天文学家们就初步确认了“短伽马射线暴”的物理起源，初步确认了中子星的存在并且了解了它的成分，而且对宇宙中重元素的起源，有了新的实验证据。通过对引力波强度的测量，我们独立测量了NGC4993这个星系和地球距离，对宇宙膨胀的速率，以及宇宙的年龄又多了一个独立的测量方法。通过对引力波和电磁波到达时间，我们对引力波的速度也有了新的测量。
引力波的被发现开启了天文物理学的新篇章。而未来的引力波天文学又会有怎样激动人心的发展呢？引用陈雁北教授和范锡龙副教授对引力波观测的展望来作为本文的结尾吧：
“19世纪的最后一天，英国著名物理学家Thompson发表感慨：物理学大厦已经落成，剩下的只有修补的工作，这就好比“晴朗的天空上的两朵乌云”。为了去除这两朵乌云，物理学家们发展出了相对论和量子力学。1915年的广义相对论，奠定了时空几何的基础；而后，人类利用量子力学，不但大大推动了技术的发展，对微观世界和对宇宙，都有了革命性的新认识。
回顾一下1915年的物理学。那个时候，我们不但不理解化学反应和放射现象背后的原子物理和核物理，也不知道恒星的发光机制和演化过程，不知道银河系外还有其他的星系，更不知道宇宙其实是在膨胀。1915年，再聪明的物理学家也不会想到，100年后的今天，我们不但会定量的研究各种元素的起源，也在探索宇宙本身的起源问题。这也许可以让我们相信，人类对科学的探索，是没有止境的。”
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