本文是對第22屆中國科協年會上發布的「2020重大科學問題和工程技術難題」之「引力波將如何揭示宇宙奧秘」的解讀，由北京大學科維理天文與天體物理研究所邵立晶研究員撰寫，發表於《科學通報》中文版。
自古希臘以來, 人們一直都在探索茫茫星空的無盡奧秘. 1609年的秋天, 45歲的義大利天文學家伽利略(Galileo Galilei)把望遠鏡指向了天空, 打開了一扇觀測宇宙的窗口, 徹底地改變了人類對世界的認識. 伽利略本人也被後人尊稱為「現代科學之父」和「觀測天文學之父」. 如今, 人們已經不再局限於通過肉眼和可見光來觀測星空. 現代天文學實現了從射電波段到伽馬射線波段的全波段觀測, 其波長範圍跨越約20個數量級. 如此大的電磁波段覆蓋範圍使得人們能夠從多個層次探索星空, 推動發現了一大批新的天體物理現象, 深刻地促進了人類對宇宙的認識.
但是, 除了極少數的宇宙射線觀測以外, 人類對宇宙的認識主要還是停留在對電磁波, 即對光子的觀測上. 2015年9月14日, 美國的雷射幹涉引力波觀測臺(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, LIGO)徹底地打破了這個局面, 首次直接探測到了來自雙黑洞併合的引力波信號[1,2].
引力波是愛因斯坦(Albert Einstein)的廣義相對論預言的一種時空漣漪, 它是時空本身的一種波動現象. 這種波動自產生以後, 在傳播中很少受到物質分布的影響, 所以它保留著引力波波源(如早期宇宙、黑洞、中子星等)的原初信息, 是研究引力波波源在宇宙中的產生與分布, 以及宇宙本身的形成與演化過程的絕佳探針.
與覆蓋20個數量級的電磁探針相比較, 引力波有著自己獨特的地方. 通常來說, 由於電磁相互作用, 光子難免要被周圍的物質散射, 使得地球上觀測到的很多光子已經不是第一手資料. 正因如此, 人們能夠通過電磁波段看到的宇宙有一個極限屏障, 即宇宙大爆炸之後約38萬年的微波背景輻射. 在此之前的光子, 由於與物質的頻繁散射, 不能夠到達地球. 也就是說, 電磁觀測手段沒有辦法直接探索宇宙大爆炸後的38萬年. 引力波由於與物質的相互作用微弱, 在大爆炸後與物質的退耦遠遠早於光子, 能夠更早地從大爆炸火球裡逃逸出來, 指引人們去研究電磁波難以企及的那部分宇宙. 類似的現象也發生在若干星體相關的天體過程中. 比如在超新星爆發過程中, 同樣地, 由於光子與物質頻繁的相互作用, 星體內部的光子被多次散射, 只有表層的光子能夠鑽出星體、到達望遠鏡. 引力波卻能從星體中心逃逸, 為地球上的引力波探測器所捕獲. 如此一來, 相對於光子來說, 引力波攜帶著星體內部寶貴的物理信息.
除了上面說的這點以外, 有些天體物理過程根本就不存在相應的電磁波段或者宇宙射線和中微子的輻射, 如真空中雙黑洞系統的併合. 而這樣的過程卻常常在宇宙的演化中扮演著至關重要的角色, 對它們的直接探測就完全依賴於引力波手段了.
LIGO引力波探測器從本質上來說, 是一個精良的邁克耳孫(Albert Michelson)幹涉儀, 通過穩定的雷射相干幹涉來實時地測量兩個互相垂直的臂之間的相對距離變化. 因為引力波通常很微弱, 所以兩個臂之間的距離變化非常小. LIGO合作組經過了幾十年的努力, 才能把儀器噪聲降低到一定程度, 使得提取數據中的引力波信號成為現實可能[3].
除了首例雙黑洞併合引力波事件GW150914外, 最引人注目的當屬首例雙中子星併合事件GW170817[4]. 這是一例迄今為止觀測到的離地球最近的引力波事件, 離我們僅有40 Mpc的距離, 宇宙學紅移約為0.01. 幸運的是, GW170817由LIGO和義大利的室女座引力波探測器(Virgo Gravitational-wave Detector; Virgo)協同觀測到, 使得引力波波源的空間定位較為準確. 更有意思的是, 在引力波的應變達到最大值後的1.7 s, 費米(Enrico Fermi)衛星在同一片天區探測到了一個微弱的伽馬射線暴GRB 170817A[5]. 這個觀測很大程度上支持了引力波事件GW170817來自於雙中子星併合的觀點. 在後續的電磁隨動觀測中, 全球各地的天文學家啟用了70餘架地面望遠鏡或空間衛星, 在多個波段的觀測中測到了來自GW170817事例的電磁輻射, 特別是對預言中的千新星過程進行了實證測量[6,7]. 這一系列的觀測華麗地開啟了多信使天文學時代[8,9], 史無前例地揭示了中子星在多波段電磁學以及多信使協同探測中的重要物理過程, 對中子星的物態方程[10,11]、引力理論的實驗檢驗[12,13]、宇宙學參數的測量[14,15]等方面產生了重要影響.
到現在為止, LIGO/Virgo合作組的觀測結果已經陸續公布. 他們把第一次運行(first observing run; O1)和第二次運行(second observing run; O2)中的引力波事件編成了人類第一個引力波暫現源星表(Gravitational-Wave Transient Catalog, GWTC-1), 其中包括10個雙黑洞併合事例和一個雙中子星併合事例[16]. LIGO/Virgo合作組現在已經完成了第三次運行(third observing run; O3), 部分引力波事例已經公布, 相應的星表還在編制中, 將在近期內公布.
引力波領域這幾年取得的豐富成果深層次地改變了人類對宇宙的認識. 但是, 迄今為止, 這些探測都是LIGO/Virgo探測器上的事例, 對引力波的探測頻段限制在十赫茲到千赫茲的範圍. 地面引力波跨越2個數量級的探測頻段與電磁波跨越20個數量級的情況相比, 可謂是引力波研究初期非常窄的一個窗口罷了. 但是, 引力波的探測頻率真的只能限制在這個範圍嗎? 答案是否定的. 引力波實驗學家與理論學家正在積極思考下一代引力波探測器的設計與運行, 希望通過拓寬引力波探測的頻率範圍與增強探測實驗對引力波應變的敏感度, 更多更好地探測各類引力波事例, 幫助人們更深層次地認識宇宙與理解背後的物理規律[17,18].
國內外多家天體物理研究單位正在積極加強對引力波的研究, 特別是期望擴展現有引力波實驗探測的頻段, 豐富其相應的科學目標(圖1). 按頻段來分, 未來引力波探測實驗主要包括千赫茲的高頻地面引力波探測實驗、毫赫茲的空間引力波探測實驗、納赫茲的脈衝星計時陣列探測實驗, 以及極低頻的宇宙微波背景輻射極化探測實驗.
圖1 引力波頻譜與相應的引力波波源和探測實驗(來源: https://lisa.nasa.gov/)
(1)在千赫茲的高頻地面引力波探測方面, 日本的神岡引力波探測器(Kamioka Gravitational-wave Detector, KAGRA)已經加入了LIGO/Virgo大合作組, 印度在建的地面引力波探測器LIGO-India也將於近年內加入, 從而形成全球的引力波探測器網絡, 通過多架探測器實現對引力波波源的高精度定位, 以便於後續的電磁隨動觀測跟進[19]. 同時, 歐洲和美國的科學家正在研發下一代的地面引力波探測器——愛因斯坦望遠鏡(Einstein Telescope)和宇宙探索者(Cosmic Explorer), 有望將現有探測靈敏度提高10倍以上, 從而能夠探測到千倍以上的引力波事例數, 幾乎囊括了宇宙中所有的恆星級黑洞併合事件[20].
(2)在毫赫茲的空間引力波探測方面, 歐洲宇航局(European Space Agency, ESA)與美國宇航局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)20餘年來合作研究的空間雷射幹涉儀(Laser Interferometer Space Antenna, LISA)將於2034年左右運行[21,22], 我國國內的團隊也正在研發自主的空間引力波探測項目——天琴[23]和太極[24]. 國內外相應的探路者衛星先行項目已經發射成功並取得了一定的科學技術驗證. 在不遠的將來, 空間引力波探測器將打開毫赫茲頻段的引力波探測窗口, 其探測目標包括中等質量和大質量的雙黑洞併合事件、銀河系內相對論性的雙星系統、極端質量比的旋近事例等.
(3)在納赫茲的脈衝星計時陣列探測方面, 國際上澳大利亞、歐洲、美國三組脈衝星計時陣列已經運行了10餘年, 並聯合組建了國際脈衝星計時陣列合作組(International Pulsar Timing Array, IPTA)[25]. 我國以貴州省黔南的500米口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST)領銜的中國脈衝星計時陣列(Chinese Pulsar Timing Array, CPTA)也正在逐漸成型. 脈衝星計時陣列通過將銀河系中長期計時準確的脈衝星信號按照空間分布統一起來聯合分析, 形成一個等價於銀河系大小的引力波探測器, 通過脈衝星脈衝信號的殘差關聯曲線, 測量來自近鄰星系中超大質量雙黑洞併合的納赫茲頻段引力波, 以對星系的併合和演化提供重要的信息.
(4)在極低頻的宇宙微波背景輻射極化探測方面, 國外已經開展了若干年, 我國目前正在西藏阿里地區建設北天區第一個地面觀測實驗(Ali Cosmic microwave Polarization Telescope, AliCPT), 其核心科學目標是捕獲微波背景輻射極化信號的原初起源, 這將有機會為我們揭開宇宙學研究中原初引力波的神秘面紗, 並對極早期宇宙的模型進行嚴格篩選.
綜上, 科學家們對引力波探測窗口的拓展正在進行積極的努力, 最終也將會實現跨越約20個數量級的引力波全譜觀測(圖1), 這勢必將在物理學界、天文學界引起革命性的變化. 同電磁波段的觀測一樣, 引力波觀測的多個頻段間的科學目標並不是孤立的. 對於某些特定的引力波源(如恆星級質量雙黑洞), 通過對幾類引力波探測適當的聯合分析, 將能實現引力波的多波段觀測[26,27]. 另外, 對於有物質存在的情況, 引力波波源在輻射引力波的同時, 可以有相應的電磁波輻射. 引力波波段的觀測與電磁波段的隨動觀測為我們提供了難得寶貴的多信使窗口; 這一點在GW170817的觀測中已經展現出了巨大的科學潛力[8,9]. 鑑於此, 國內外有不少天文學研究機構正在升級或者新建針對引力波波源隨動觀測的大型天文學設備, 包括地面望遠鏡和空間衛星等.
在引力波的科學研究方面, 雖然現在已經有了豐富的成果, 但針對該領域後面更進一步的大規模發展, 仍舊存在著若干難題亟需解決. 這些難題可粗略地分為基本物理、天體物理和數據分析三大方面, 下面做簡單說明.
(1)在基本物理方面, 最根本的問題在於如何從給定的引力理論(如廣義相對論)得到關於引力波波形的預言.特別地, 由於我們對廣義相對論的兩體問題並沒有一個完整的解析解, 現在需要依靠有機結合各種手段——包括解析相對論、數值相對論等——來得到引力波探測中能實際使用的波形模板庫(圖2)[28]. 但這些方法都有一定的局限性, 難以在較大的參數空間(包括雙星的質量比、軌道的橢率與進動、物質效應等)有精確的波形預言. 另一方面, 引力波觀測數據的質量會持續上升, 這就要求有極其精確的引力波波形模板庫來做匹配濾波. 這兩者之間的矛盾將是引力波科學發展中不可避免、必須克服的難題[29].
圖2引力波波形模板與各部分的理論處理方法
(2)在天體物理方面, 一方面需要拓展更多的目標源以豐富科學內容, 另一方面需要更有效地從引力波數據反推天體物理系統的信息.從數據反推源信息這類逆問題向來是天文學等學科中的難點. 對這類問題的解決要求我們對天體物理的各類源以及它們的演化情況有深入且全面的了解, 這樣才能有把握地反推逆問題, 得到關於引力波源的正確信息[30].
(3)引力波的時序數據有其特殊的地方.例如, 對空間引力波探測器而言, 數據一般是若干種不同信號的疊加. 關於如何有效地區別開各類引力波信號, 分別得到它們的參數, 是引力波數據處理中尚未解決的問題. 引力波科學家正在嘗試借鑑多種方法——包括計算機領域的機器學習與特徵識別等——來幫助無偏差地處理引力波時序數據. 近些年來, 通過有機結合引力波科學與數據科學的研究, 有望在該難題上提供實際可行的數據處理手段.
以上列出的引力波科學研究中的三大難點並不是孤立的, 而是一個有機的整體. 對這些難點的解決, 需要三方面的科學家通力合作, 共同攻克.
引力波的探測能夠打開我們的視野, 研究電磁手段所難以企及的宇宙的「黑暗面」. 在各個頻段上, 引力波將幫助我們認識從恆星級到星系級質量的黑洞, 從而理解黑洞的形成與演化, 以及與之共生的星系與宇宙; 幫助我們理解中子星系統的產生和併合過程, 揭示極端情況下超核密度物質物態方程以及黑洞視界的形成. 另外, 引力波的波形中包含了關於時空與物質相互作用的豐富信息, 能夠用來探索包括宇宙膨脹、暗物質、引力、核物質物態方程、原初黑洞等多個方面的基本物理現象與規律, 有望解答廣義相對論與粒子物理的標準模型所遺留下來的深層次問題, 從而大大加深我們對自然界本質的理解.
最後值得一提的是, 由於「對LIGO探測器和引力波觀測決定性的貢獻」, 2017年的諾貝爾物理學獎授予了韋斯(Rainer Weiss)、巴裡什(Barry Barish)和索恩(Kip Thorne). 他們多次在公開演講中強調, LIGO對引力波探測最重大的意義不在於探測到引力波本身, 而在於打開了一扇觀測宇宙的全新窗口, 就如同400多年前伽利略把望遠鏡指向天空那樣, 引力波觀測將會在不遠的將來為我們帶來電磁學觀測難以探索到的那部分「暗黑宇宙」的全新認知, 展現給人類一幅引力波視角下完整的世界圖景.
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邵立晶
北京大學科維理天文與天體物理研究所研究員、博士生導師, 第四屆中國科協青年人才託舉工程入選者, 現擔任北京大學科維理天文與天體物理研究所與德國馬克斯·普朗克射電天文研究所的「馬普夥伴合作組」組長. 主要從事引力理論檢驗、引力波、中子星與脈衝星等相對論性天體物理的研究. 曾為「雷射幹涉引力波觀測臺」(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, LIGO)科學合作組成員, 為其構建研發的引力波波形模板庫在引力波的搜尋和參數估計等方面發揮了重要的作用, 並持續被LIGO/Virgo合作組大規模應用到實際的引力波數據分析中. 現為「神岡引力波探測器」(Kamioka Gravitational-wave Detector, KAGRA)合作組成員、「事件視界望遠鏡」(Event Horizon Telescope, EHT)合作組成員, 並在2020年與EHT合作組347位科學家分享了「基礎物理學突破獎」.