引力波天文學的“夢想劇場”正在上演

什麼是未來的引力波天文學？2015年9月，一個設定華盛頓州的利文斯頓，一個設在路易斯安那州的漢福德，兩個“雙胞胎”激光干涉儀引力波觀測臺同時探測到了由兩個黑洞的合併事件產生的引力波。兩個引力波探測器僅使用了靈敏度設計值的30%，但它們都成功地捕獲了由兩個黑洞碰撞後發出的引力波信號。在兩個信號事件的前一箇中，一個黑洞的質量爲太陽的36倍，另一個黑洞的質量爲太陽的29倍，引力波信號的記錄時間爲2015年九月14日。

在兩個信號事件的後一箇中，一個黑洞的質量爲太陽的14倍，另一個黑洞的質量爲太陽的8倍，引力波信號的記錄時間爲2015年12月26日。LIGO國際合作團隊第一次找到了引力波存在的直接證據，這表明了一個顯著的事實，從引力波的第一次預測到第一次的驗證，整整過去了一個世紀，只有觀測技術發展到現在的水平，科學界纔有可能對引力波的理論預測進行檢驗，過去的技術手段難以搜索引力波的真實信號。

對引力波信號的探測僅是一個開端，人類也許迎來了一個新的天文學新時代，在101年以前，“高瞻遠矚”的愛因斯坦發現了一種有關引力的全新理論，廣義相對論與牛頓的萬有引力定律有本質的不同，牛頓認爲，在距離遙遠的宇宙物體之間存在及時性的吸引作用，愛因斯坦卻認爲，在宇宙呈現的物質和能量彎曲了時空的纖維結構，對引力形成的全新解釋產生了一系列未有預料的結果。

廣義相對論的預測包括了引力透鏡現象，宇宙的膨脹，引力場對時間的稀釋作用，最難以捉摸的引力波現象。引力輻射表示了一種新型的輻射，當物體在空間做加速運動時，空間自身的反應表現爲纖維組織的振動，空間組織的波動形成了向外傳播的時空“漣漪”，好似水波或漣漪一樣以光速在太空中傳播，當引力波信號穿過地球上的探測器時，“守株待兔”的科學家纔可能探測到波動信號，引力波是遙遠太空給送給人們的“禮物”，科學家將愛不釋手的天空禮物稱之爲引力波。

最容易探測到的信號與發出了最強的引力波源有關，最容易探測的對象是發出了最強信號的天體。可以列舉的引力波源包括大質量的天體，在大質量的天體之間存在一個逐漸減少的距離，雙天體相互繞轉的速度隨之加快，它們的繞轉軌道發生了顯著或劇烈的變化。黑洞和中子星之類的恆星坍塌天體成爲了引力波源的主要候選對象。考慮到大質量雙天體的振動頻率，這一頻率大致上等於探測器路徑的長度或激光臂長度乘以激光束反射的次數，再除以光速。

LIGO探測器的手臂有4公里長，在引力波干涉儀形成激光干涉的圖式之前，激光束產生了1000次的激光反射，探測器檢測的物體振動頻率爲千分之一秒或毫秒的範圍，這類頻率範圍的振動物體包括了在最後階段合併的雙黑洞和合並的雙中子星。黑洞和中子星之類的奇異天體吸收了巨量的物質，經歷振動之後變成了圓球形。高度非對稱的超新星同樣發出了引力波，不是每個恆星核心的塌陷事件都產生了可以檢測的引力波，但在地球附近發生的白矮星合併事件也許產生了引力波信號。

科學家已見證了一個雙黑洞的合併者，LIGO探測器得到了持續的改進，在未來的幾年，人們有理由期待，科學家將第一次估算出恆星質量級的黑洞數量，這類黑洞的質量相當於幾個太陽到大約100個太陽之間。當探測器達到設計值的靈敏度時，LIGO國際合作團隊對發現雙中子星的合併者抱有很大的信心，他們對合並者事件的頻率和LIGO探測器的靈敏度有正確的判斷，每個月可能發現3到4個引力波事件。短週期伽馬暴很有可能來源於中子星的合併事件，但科學家的疑問並未得到觀測的證實。

科學家對非對稱型超新星和奇異中子星的振動特別感興趣，這類現象可能十分罕見，但科學家有機會在新的技術方式上探究這類現象的發生，只有更多的探測器投入使用，才能做出更好的科學發現。設在意大利的VIRGO探測器即將投入運轉，它將進行真正的三角法位置測量，以精確定位引力波事件在太空的位置，光學對應波段的觀測隨後進行，中國、日本和印度制定了建造引力波干涉儀的計劃，在未來的幾年，科學家對引力波觀測的天空覆蓋範圍將會大幅提升。

顯著的技術進展產生於科學家將引力波探測器發射到太空，昂貴的探測器在太空的環境避免了地震噪音、地面的卡車轟鳴、地殼板塊的“漂移”等因素的干擾。在太空寂靜的真空背景，干涉儀不會受到地球彎曲外形的影響，科學家按照設計的意圖構建任意長度的激光“手臂”，干涉儀探測衛星被設置在地球軌道，甚至設置在繞太陽轉動的軌道。地面觀測與太空觀測不同，地面對合並黑洞引力波的觀測持續了幾個毫秒，太空對合並黑洞引力波的觀測可以持續幾秒、幾天、幾周、甚至更長的週期，對天體引力波的觀測包括了宇宙中位於星系中心的最大天體。

只有建造足夠大、足夠靈敏的太空觀測臺，科學家才能搜索從宇宙大爆炸發出的遺留至今的所謂原初引力波，從宇宙的暴漲直接探測到原初引力的擾動，這將在全新的方式上證實宇宙的起源，同時也能檢測引力的量子本質，宇宙暴漲的引力波之所以產生，這可能與引力自身量子場的屬性相關。LISA探路者的投入使用可能證明原初引力波探測的可能，太空探測的投資計劃也許是正確的科學決策。

似乎出現了炙熱的科學競賽風潮，什麼樣的觀測將成爲主要的手段？很多科學機構構想了有效的使命計劃，以太空爲背景的引力波探測是目前科學家的最大夢想，太空引力波觀測臺被髮射到繞太陽運行的軌道。引力波探測的一系列大膽、“野性”的設想將會變成現實，精確的檢測技術證實了引力波的概念和預言。

“飄飄灑灑”的引力波來自太空，未來的引力波天文學向人們傳達了宇宙的信息，在信息中包含了約束引力波天文學的各項參數。投資太空觀測臺的資金巨大，但爲科學付出的成本取得回報的概率很高。引力波天文學的時代正在到來，但人們還不清楚新的天文學領域有着怎樣的光明前景，人們還會對即將發生的一切產生懷疑，但探測行動的力度決定了引力波天文學的未來。

（編譯：2016-6-29 ）