引力波天文学的“梦想剧场”正在上演

什么是未来的引力波天文学？2015年9月，一个设定华盛顿州的利文斯顿，一个设在路易斯安那州的汉福德，两个“双胞胎”激光干涉仪引力波观测台同时探测到了由两个黑洞的合并事件产生的引力波。两个引力波探测器仅使用了灵敏度设计值的30%，但它们都成功地捕获了由两个黑洞碰撞后发出的引力波信号。在两个信号事件的前一个中，一个黑洞的质量为太阳的36倍，另一个黑洞的质量为太阳的29倍，引力波信号的记录时间为2015年九月14日。

在两个信号事件的后一个中，一个黑洞的质量为太阳的14倍，另一个黑洞的质量为太阳的8倍，引力波信号的记录时间为2015年12月26日。LIGO国际合作团队第一次找到了引力波存在的直接证据，这表明了一个显著的事实，从引力波的第一次预测到第一次的验证，整整过去了一个世纪，只有观测技术发展到现在的水平，科学界才有可能对引力波的理论预测进行检验，过去的技术手段难以搜索引力波的真实信号。

对引力波信号的探测仅是一个开端，人类也许迎来了一个新的天文学新时代，在101年以前，“高瞻远瞩”的爱因斯坦发现了一种有关引力的全新理论，广义相对论与牛顿的万有引力定律有本质的不同，牛顿认为，在距离遥远的宇宙物体之间存在及时性的吸引作用，爱因斯坦却认为，在宇宙呈现的物质和能量弯曲了时空的纤维结构，对引力形成的全新解释产生了一系列未有预料的结果。

广义相对论的预测包括了引力透镜现象，宇宙的膨胀，引力场对时间的稀释作用，最难以捉摸的引力波现象。引力辐射表示了一种新型的辐射，当物体在空间做加速运动时，空间自身的反应表现为纤维组织的振动，空间组织的波动形成了向外传播的时空“涟漪”，好似水波或涟漪一样以光速在太空中传播，当引力波信号穿过地球上的探测器时，“守株待兔”的科学家才可能探测到波动信号，引力波是遥远太空给送给人们的“礼物”，科学家将爱不释手的天空礼物称之为引力波。

最容易探测到的信号与发出了最强的引力波源有关，最容易探测的对象是发出了最强信号的天体。可以列举的引力波源包括大质量的天体，在大质量的天体之间存在一个逐渐减少的距离，双天体相互绕转的速度随之加快，它们的绕转轨道发生了显著或剧烈的变化。黑洞和中子星之类的恒星坍塌天体成为了引力波源的主要候选对象。考虑到大质量双天体的振动频率，这一频率大致上等于探测器路径的长度或激光臂长度乘以激光束反射的次数，再除以光速。

LIGO探测器的手臂有4公里长，在引力波干涉仪形成激光干涉的图式之前，激光束产生了1000次的激光反射，探测器检测的物体振动频率为千分之一秒或毫秒的范围，这类频率范围的振动物体包括了在最后阶段合并的双黑洞和合并的双中子星。黑洞和中子星之类的奇异天体吸收了巨量的物质，经历振动之后变成了圆球形。高度非对称的超新星同样发出了引力波，不是每个恒星核心的塌陷事件都产生了可以检测的引力波，但在地球附近发生的白矮星合并事件也许产生了引力波信号。

科学家已见证了一个双黑洞的合并者，LIGO探测器得到了持续的改进，在未来的几年，人们有理由期待，科学家将第一次估算出恒星质量级的黑洞数量，这类黑洞的质量相当于几个太阳到大约100个太阳之间。当探测器达到设计值的灵敏度时，LIGO国际合作团队对发现双中子星的合并者抱有很大的信心，他们对合并者事件的频率和LIGO探测器的灵敏度有正确的判断，每个月可能发现3到4个引力波事件。短周期伽马暴很有可能来源于中子星的合并事件，但科学家的疑问并未得到观测的证实。

科学家对非对称型超新星和奇异中子星的振动特别感兴趣，这类现象可能十分罕见，但科学家有机会在新的技术方式上探究这类现象的发生，只有更多的探测器投入使用，才能做出更好的科学发现。设在意大利的VIRGO探测器即将投入运转，它将进行真正的三角法位置测量，以精确定位引力波事件在太空的位置，光学对应波段的观测随后进行，中国、日本和印度制定了建造引力波干涉仪的计划，在未来的几年，科学家对引力波观测的天空覆盖范围将会大幅提升。

显著的技术进展产生于科学家将引力波探测器发射到太空，昂贵的探测器在太空的环境避免了地震噪音、地面的卡车轰鸣、地壳板块的“漂移”等因素的干扰。在太空寂静的真空背景，干涉仪不会受到地球弯曲外形的影响，科学家按照设计的意图构建任意长度的激光“手臂”，干涉仪探测卫星被设置在地球轨道，甚至设置在绕太阳转动的轨道。地面观测与太空观测不同，地面对合并黑洞引力波的观测持续了几个毫秒，太空对合并黑洞引力波的观测可以持续几秒、几天、几周、甚至更长的周期，对天体引力波的观测包括了宇宙中位于星系中心的最大天体。

只有建造足够大、足够灵敏的太空观测台，科学家才能搜索从宇宙大爆炸发出的遗留至今的所谓原初引力波，从宇宙的暴涨直接探测到原初引力的扰动，这将在全新的方式上证实宇宙的起源，同时也能检测引力的量子本质，宇宙暴涨的引力波之所以产生，这可能与引力自身量子场的属性相关。LISA探路者的投入使用可能证明原初引力波探测的可能，太空探测的投资计划也许是正确的科学决策。

似乎出现了炙热的科学竞赛风潮，什么样的观测将成为主要的手段？很多科学机构构想了有效的使命计划，以太空为背景的引力波探测是目前科学家的最大梦想，太空引力波观测台被发射到绕太阳运行的轨道。引力波探测的一系列大胆、“野性”的设想将会变成现实，精确的检测技术证实了引力波的概念和预言。

“飘飘洒洒”的引力波来自太空，未来的引力波天文学向人们传达了宇宙的信息，在信息中包含了约束引力波天文学的各项参数。投资太空观测台的资金巨大，但为科学付出的成本取得回报的概率很高。引力波天文学的时代正在到来，但人们还不清楚新的天文学领域有着怎样的光明前景，人们还会对即将发生的一切产生怀疑，但探测行动的力度决定了引力波天文学的未来。

（编译：2016-6-29 ）