苟利军：探测引力波的百年之路

 

苟利军 中国科学院国家天文台研究员，恒星级黑洞爆发现象研究创新团组负责人

点击观看视频

引力波的探测之路

对于引力波的探测，尽管在1916年爱因斯坦就从理论的角度提出来了，但是之后的探测一直非常困难。在20世纪60年代，美国马里兰大学的韦伯教授做了一系列的实验，当时他试图利用一个叫做共振腔的设备探测引力波。也就是说，如果有引力波经过的时候，这个设备就会产生共振，从而可以相应地探测到信号的存在。

当时韦伯教授说他探测了好几个引力波，但是他的实验结果没办法被别人重复。我们知道，一个科学的结果最终肯定需要被不同的人重复验证。但是，尽管我们现在看来韦伯当时的探测是失败的，但他仍然相当于开创了引力波探测的领域。

 

在之后的70年代，一个非常偶然的机会，美国麻省大学的两个人，Taylor教授和他的学生Hulse发现了一对脉冲星系统。什么叫做脉冲星？就是说某一颗恒星，有点像灯塔，它在旋转的过程当中，当信号扫到地球的时候我们就可以看到，当离开地球的时候，我们就探测不到，好像隔一段时间就有一个信号，我们称之为脉冲信号。这一类天体通常是中子星。Taylor发现了一类很奇怪的双中子星或者说脉冲双星系统。因为通常的脉冲星系统的周期是非常精确的，但是这个系统的周期在逐渐减小。当时他就想不明白，最后突然来了灵感，说因为这是一个非常致密的脉冲星系统，所以很可能在旋转的过程当中有比较强的引力波产生。他们经过一段时间的观测，同时从理论的角度对他们的观测进行了拟合，发现理论跟观测结果是完美符合的，所以就间接地探测到了引力波。

我们现在知道，不仅仅是双中子星，双黑洞也存在着这种比较强的引力波。在之后的70年代，也有两个人，一个是麻省理工Weiss, 一个是Forward，他们想到可以利用Michelson干涉仪来测量引力波的存在。具体的测量原理非常简单，就是说一束激光进来，如果它的位置没有变化的话，分成两束最终被反射回来，它们所形成的强度不会发生变化，但是如果距离发生了变化，所对应的相位发生变化，我们所观测到的强度也会发生变化。如果一束激光一直在反射合并，它的强度没有发生变化，那证明没有引力波经过；那如果发现它的强度发生了变化，就可以间接推断出引力波的存在。最终探测的强度与臂长是有关系的。所以如果我们把臂长做得非常长，这就相当于把信号放大了，那么，尽管引力波的信号比较弱，最终还是有可能被探测到。

后来美国的LIGO探测器的臂长就做得非常的大，这是（图片6）激光干涉探测仪的实验图。LIGO计划是在1992年由美国的自然基金委员会开始资助的，它是世界上第一个大规模的引力波探测项目，是由加州理工和麻省理工的人建造的。麻省理工的人提出了探测的方法，加州理工在设备制造方面有非常强的技术，强强联合，最终有了这个项目。LIGO包含了两个探测器，一个是位于美国的华盛顿州Hanford城市，另外一个位于美国的路易斯安那州Livingston城市。

 

这是Hanford的天文台的照片（图片7），我们可以看到，它有两个4公里长的测量臂，呈L型。臂长做得足够长就可以放大微弱的引力波信号。

这是另外一个天文台Livingston在路易斯安那州的观测天文台（图片8），每个臂长也是四公里。

这是它里边的管道，激光在这些管道中不断被反射和最后被合并。这个管道里，为了防止气体对速度的影响，都抽成了真空。

这是它的镜子，因为引力波的效应非常弱，所以必须把镜子悬挂起来，否则如果放置在地面，火车或者人走过的时候都会产生振动，就会影响引力波的探测。

 

上图（图片11）蓝色的小圈代表了LIGO刚建成时的探测范围，而2015年年9月升级以后的灵敏度是大圈的范围。我们可以看到，从最刚开始的非常小的探测范围，到现在比较大的范围，有一个非常大的提升。因为灵敏度的极大提高，最终导致了这次的发现。

3、本次引力波的发现

我们来看一下这次发现的结果。2015年9月14号，LIGO探测的信号大约为0.2秒。也就是说，我们刚才听到的音频信号只有差不多0.2秒那么长，其实那个信号已经被放长了一段时间了。镜子移动的尺度是10的负18次方米。刚才我们也讲了，一个原子的尺度是10的负10次方米，它比一个原子的尺度还要小差不多一亿倍。所以测量精度是非常精确的。而同时，通过这次观测，我们知道是什么样的天体产生了这次的引力波呢？是两个黑洞。这两个黑洞的质量我们也得到了非常精确的测量，一个是36倍太阳质量，另外一个是29倍太阳质量，最终在合并以后形成了62倍太阳质量。我们简单的加一下，36加29应该是65，但是最终形成了一个62倍的太阳质量，有3个太阳质量在合并的过程当中被释放出去了。

这个合并的过程又是非常短的，肯定要比0.2秒还要小，但是在极短的时间之内释放出去的能量又非常高。另外，它距离我们地球有13亿光年。那就意味着这次爆发是在2015年9月14日爆发的，还是在其他什么时候爆发的？应该是在13亿光年之前爆发的。而我们人类在地球上也仅仅生存了七八百万年，地球的生命差不多是46亿年。所以13亿年之前应该还是一个非常炙热的环境，我们无法想象13亿年前到底是什么样的。但是最终这个信号经过了13亿年的传播，传到了地球上。但是还有一个问题，大家也可以考虑一下。就是说这个信号经过13亿年传到了地球上，那现在它到什么地方去了？是就消失了还是继续在向宇宙的其他时空在传播呢？应该说，它继续在向更远的地方传播。

4、黑洞：时空弯曲的“极端”情况

这次引力波探测不仅仅探测到了两个黑洞了，也是对于爱因斯坦相对论的又一次验证，它最终在黑洞合并的时候，产生了非常强的引力波。这次发现的天体源是黑洞。关于什么是黑洞，我之后会再做解释。

 

黑洞也是时空弯曲当中的一种“极端”的情形，它也是爱因斯坦方程中的一种解。那黑洞到底是什么呢？相信大家在日常生活当中也常听到这个名词，黑洞其实就是一种连光也逃不出去的天体，所以如果我们看黑洞的话，它应该看起来像一个黑色的球体。另外，从结构的角度而言，黑洞是宇宙当中最简单的一种天体。只有几个词，比如视界面、奇点、史瓦西半径，就可以定义它。这是从偏向于学术的角度去定义黑洞，那在生活当中，大家怎么去理解黑洞呢？

我给大家看两张图，相信大家对这个非常熟悉。这是貔貅，大家之所以在日常生活当中把貔貅当做一种瑞兽，是因为什么呢？因为它最大的特点——招财进宝。而它之所以能够成为招财进宝的瑞兽，是因为它只进不出，这一点和黑洞非常类似。黑洞中隐匿着巨大的引力场，这种引力大到任何东西，甚至连光都难以逃脱黑洞的影响。如果你在那百度上搜索“黑洞”，可以看到这个搜索结果都被吸到一个黑色的点里面去了，这是说明了黑洞的第二个特点：一个物体，或者说任何靠近黑洞的物体都会被黑洞撕碎，然后吸进去，一旦吸进去就逃不出来了。

如果我们通过这两个特点去理解黑洞的话，它具有什么样的效应呢？越靠近黑洞，空间弯曲就越大，时间的流逝就越慢。这非常抽象，很难简单地从语言上理解。但是如果大家看过2014年的电影《星际穿越》，会有相对深刻的理解。在电影当中，主人公Cooper离开地球的时候，他的女儿也就七八岁。但是他回来的时候，主人公的年纪感觉没有发生太大的变化，他的女儿却已经是一个80多岁的躺在病床上奄奄一息的老人了。我们可以感受到这之间的时间是不太一样的，尤其是在电影当中还提到了有一点，主人公Cooper和Amelia跑到了一个非常靠近黑洞的星球，叫做Miller星球，他们在那个星球上只待了三个小时，他们感觉没有浪费任何一点时间，但是当他们回到母舰上的时候，母舰上的宇航员告诉他们已经过去20多年了。所以，在Miller星球上的三个小时，竟然等于母舰上或者地球上的20多年，时间被拉伸了六万倍。这就是说，在黑洞周围，因为时间被拉伸的效应非常严重，所以就可能导致这样的现象。

另外，中国神话当中常说“天上一日，地上一年”，但是从来没有人去解释这是为什么。这很有可能也是因为引力效应的不同。如果问大家，既然天上一日是地上一年，那从引力的效应而言，神仙居住的环境是引力更强还是更弱？引力强的地方，往往代表了时空弯曲更大，所以神仙如果是居住在某个环境中，那应该是居住在引力比较强的地方。

其实在我们日常生活当中，有一些效应往往被忽略掉了。我们现在人人都有手机，去某些地方需要导航，导航利用的信号是来自导航卫星。卫星上的时间和我们地球上的时间，大家可以想象一下，因为所处的高度、距离、位置不同，时间也肯定会有差别。在地球表面或地球附近，空间弯曲应该稍微大一些。相比较之下，我们时间的流逝要比卫星上的时间流逝得慢一点。这样的话，就有一个时间差。我们在利用导航的时候，最终必须要考虑到这个因素。因为尽管这个时间差非常小，但是光速是30万公里/秒，如果不纠正这个时间差，导航估计就会把我们引向一个完全不知道的地方。这是现在导航系统必须要考虑的一个效应。

如果从高维时空去看，黑洞应该是什么样子的？非常像一个漏斗状的物体。在科幻电影或者理论当中有非常多对于黑洞的描述。人类发现的第一个黑洞是在天鹅座，当时在X射线波段，而且是第一个被发现的，所以我们是称之为天鹅座X-1。这个黑洞系统是在20世纪60年代被发现的，发现以后，地球上非常著名的物理学家或者说最聪明的两个物理学家就为此就争论，其中，霍金尽管做了非常多有关黑洞方面的工作，但他认为这个系统当中不存在黑洞。但是基普·S·索恩认为这是黑洞，所以两个人就为此打赌，并且写下了一个赌约，以1年的杂志作为赌注。

 

他们是1974年12月份签订的赌约。到了大约20世纪90年代的时候，越来越多的观测表明，这个系统当中应该存在黑洞，霍金最终服输了。在这个赌约上，我们可以看到霍金的签名以及指印。尽管在20世纪90年代很多的证据表明，这很有可能是一个黑洞，而且霍金也承认自己输了，但是对于黑洞质量等的测量并不是特别精确。2010年，我在美国哈佛大学读博士后，我和合作者利用美国的VLBI射电望远镜以及美国的钱德拉X射线太空望远镜，对黑洞的质量以和它的距离进行了精确的测量。现在我们知道，黑洞的质量大约是在15个太阳质量左右，距离是7800光年。也就是说，每一次我们所观测到的光，都是经过了7800光年才传到地球上的。大家或许会问，测量重量、质量、距离等性质有什么意义呢？对于一个天体而言，尤其是对于黑洞，这就类似于我们做了一个完整的描述，当我们知道黑洞的这些性质以后，就可以很容易地把这个黑洞和其他的黑洞区分开来。而且可以知道一些黑洞处于什么样的状态，就如同我们看到了这幅画一样，天文学家需要的是这些量，大众或者艺术家需要的是这幅画。

那么，在宇宙当有多少种黑洞呢？现在我们知道的，有两大类黑洞：一种我们称之为“恒星级黑洞”，它的质量和我们的太阳差不多，或者就是几十倍，是质量较小的黑洞；另外一类要比太阳的质量大非常多，可以说是几百万倍，甚至几十亿倍都有可能。我刚才提到，一旦一个东西掉到黑洞里边，那肯定是出不来了。那我们怎么才能够看到黑洞呢？尽管黑洞自身是黑色的，我们看不到它，但是它周围会产生气体盘，以及在某些情况之下它会有一些喷出的物质，这些气体盘和喷出的物质会产生比较强的辐射，从而让我们知道黑洞就在那里。这些辐射都不是来自黑洞本身，而是来自黑洞附近。

恒星级黑洞是怎么产生的？通过观测，我们知道“恒星级黑洞”是宇宙中一些大质量的恒星演化而成的。在银河系当中，太阳系只是沧海一粟。天气比较好的时候，在半夜出门会看到一条颜色不深的带，其实这个带就是由非常多恒星构成的。这些恒星都是位于银河系之内。其实理论当中，有一千多万个恒星级黑洞，也就是几十个太阳质量的黑洞。但是因为黑洞本身不发光，只有在某些情况下它周围的气体才会发光，所以到目前为止我们也只探测到了十多个黑洞。它的探测是非常困难的，绝大多数的黑洞还没有探测到。

 

距离我们最近的一个黑洞，它的距离大约是3400光年。在左边的这张图上，星星代表的就是太阳系在银河系中所处的位置。那超大质量黑洞在我们银河系当中有没有呢？其实也有一个。因为在每个星系的中心，都会有一个超大质量的黑洞。美国UCLA大学的艾德·盖茨教授利用世界上最大的凯克10米望远镜，对中心的黑洞质量进行了测量。他们利用最先进的技术——干涉技术、激光导星技术，以及自适应的光学技术，测定了一些黑洞周围的恒星轨道。经过将近十多年的测量，最终知道银河系中间存在着一个大约为430万太阳质量的黑洞。

那刚才讲了，对于天文学家来说，最基本的是知道了它的质量，就可以区分出不同的黑洞。但是对于大众来说，那黑洞有什么样的意义呢？因为很多的情况下，比如霍金就说，黑洞中心有可能是通向另外一个宇宙的入口，而且像《星际穿越》，所谓虫洞的种子有可能就在黑洞中心所产生。尽管现在我们还不知道，但是黑洞的研究可以帮助我们理解这些知识。

引力波给我们打开了一扇认识宇宙的全新窗口，给目前的探测方式做了一个补充。两种方式可能探测到不同的天体，也可能探测到同一个天体，但是能够通过不同的方式去了解同一个天体的不同性质，就好比盲人摸象，一个盲人摸到的象，和一个具有多手段的人看到的象肯定是不一样的。

中国现阶段的引力波探测计划

中国现阶段的引力波探测计划是什么呢？中国有一系列的计划，比如太极计划和天琴计划，这两个计划都是空间项目，类似于欧洲的LISA计划。另外，我们在地面上有一个阿里计划，准备在我国的西藏阿里放置一个射电望远镜，来观测我们之前提到的源初引力波。还有贵州的射电望远镜，以及SKA射电望远镜，来对脉冲星进行观测，从而间接探测引力波的存在。

最后，我谈一点作为一个科学家的思考和体会。因为我的研究方向是天文，这与大家的日常生活相差较远，尽管在非常短的时间之内，大家不能够体会到它所带来的深刻好处，但是作为一门基础学科，它通过一种非常缓慢的方式，在拓宽着人类的认识极限，最终都是往前行的。类似于这次引力波的探测，它在1916年提出来，在2016年年初的时候被发现，整整经过了一百年。人类经过了一百年的努力，才探测到了理论上的预言。麻省理工大学的校长在新闻发布会说了这句话：“基础学科是辛苦的、严谨的和缓慢的，又震撼性的、革命性的和催化性的。没有基础科学，最好的设想就无法得到改进，‘创新’也只能是小打小闹。只有随着基础科学的进步，社会也才能进步。”

（根据宣讲家网报告整理编辑，

未经许可，不得印刷、出版，违者追究法律责任）

责任编辑：叶其英

文章来源：http://www.71.cn/2017/0914/964998.shtml