聆听五音俱全的引力波宇宙 | ①时空的交响乐

　　大家好，我是国家天文台的陆由俊。今天我要谈的是引力波。

　　我将向大家介绍如何探测宇宙中不同的引力波信号、探测引力波的意义。我们将会了解到宇宙中的引力波辐射分为高频、中频、低频、甚低频和极低频五个不同的波段，波长范围从百公里直至宇宙尺度。它们分别可以通过地基的引力波天文台、空间的引力波激光干涉天线、脉冲星计时阵和宇宙微波背景辐射的极化等探测到。

　　对引力波的精准探测可以帮助揭示包括黑洞和中子星等引力波源的形成演化、宇宙的创生和命运、极端核物质的物态方程、以及引力和时空的本质等。

图：LIGO无尽梦境（Credit: LIGO）

　　首先我们谈谈引力波的时空交响乐。1915年，阿尔伯特·爱因斯坦提出了著名的广义相对论，出乎意料地以弯曲的时空来解释万有引力现象。这一革命性的时空引力理论带来了神奇的黑洞和宇宙大爆炸等诸多预言，并在随后的漫长岁月中一次又一次地为试验和观测所证实，获得了空前的成功。

　　爱因斯坦认为时空未必如我们通常感知的一样是平直的，而是也可以像一个苹果的表面那样弯曲。时空因受物质影响而弯曲，弯曲的时空则告诉物质如何在其中运动。就好比一个很胖的小孩站在蹦床上玩耍，蹦床会深陷下去，他附近的小孩只能在陷下去的蹦床上，踉跄地走着自以为是的“直线”。尽管在旁观者看来，那些小孩实际上仿佛都在绕着胖小孩转。

　　既然时空可以像蹦床一样形变，那么当时空的形变可以像波一样传到远处时，这种波就是引力波。就好比物体在空气中的振动会产生声音，引力波这种人耳听不见的“声音”，通常也是由物体在时空中的“振动”产生，比如双星的绕转。

　　通常而言，也不一定非得要是振动才能产生引力波，物体或物体系统在加速度不为零且做非完全对称的运动或形变时就能辐射引力波。在风中摇曳的树枝、终点线前冲刺的运动员、在空中花样翻滚的战斗机，都在产生着引力波的“声音”，只是“大音希声”，这些“声音”都太微弱了，人们完全感受不到。

　　可以给大家一个直观的感受，比如偌大的地球绕着太阳公转而辐射的引力波的功率不过两百瓦，地球上的物体产生的引力波的功率更是小到难以想象。但在茫茫宇宙中，有着无数比太阳质量更大更致密的天体和系统，它们的合并和融合是宇宙中最强烈的引力波发射源，其中一些引力波辐射的功率甚至于会超过宇宙中任何其它天体的电磁辐射功率总和。因此我们更倾向于去“聆听”来自宇宙中的大质量致密天体或者宇宙自身产生的引力波的“声音”。

　　浩瀚的宇宙中，到处都是白矮星、中子星和黑洞这样的致密天体，它们有独自跳芭蕾舞的，有成双成对跳华尔兹的，甚至于跳到最后两者开心地融为一体的，还有一言不合就突然爆炸的。在这些过程中，它们都发出强烈的引力波辐射的“声音”。

　　宇宙中这些五花八门的“乐手”，制造出形形色色的“声音”，向宇宙的每个角落宣告它们的精彩演出和传奇故事。这些声音里有低沉的大提琴，有高亢的小号，有激昂的大鼓，甚至还有鸟鸣般的啁啾，这些“洪钟大吕“相互交织谱成一曲波澜壮阔的宇宙引力波交响乐。让我们来仔细看一看这曲引力波交响乐里主要都有哪几种“声音”？

　　一般而言，我们可以把引力波的“声音”分为四种：

　　1、连续的引力波，它的频率基本不变，好比是管弦乐器产生的悠扬悦耳的乐音，只不过连续引力波信号的振幅也不会衰减；

　　2、“啁啾”的引力波，它是一段频率不断升高的“声音”，就好像鸟叫声，可以想象一辆汽车在加速向你驶来时的引擎的声音。当双星绕转的间距因引力波辐射快速缩小时，它发射的信号就是此种类型的信号；

　　3、引力波暴，好比鼓手重重的一锤打下去的声音或是用力过猛把琴弦一下扯断的声音；

　　4、宇宙“随机”引力波背景，这里的“随机”其实不是完全随机的，而是由于宇宙中的引力波“交响乐”没有统一的指挥，当每位“乐手”都自顾自地弹弄自己的“乐器”，而你又离他们太远，不能分辨出每个“乐器”的“声音”时，这些“声音”叠加在一起就形成了仿佛是随机的背景噪音。

　　另外，就像交响乐有高音声部和低音声部一样，引力波也有各种各样的频率，不同的频率也就对应着不同的音高。引力波的交响乐可以大致被分为高频、中频、低频、甚低频、极低频这五个“声部”。由于不同“声部”之间的差距悬殊，对于不同的“声部”，我们还需要使用不同的“耳朵”来聆听这些不同的频率的“声音”。

　　在接下来的几天的旅途里，我们就来介绍这些不同种类的听天巨“耳“。地上和空间的各种类型的电磁波望远镜，已经使得人类能够穿过迷雾看到宇宙中各个光明的所在，不过却无法看到那些“暗黑”场所发生的惊天事件。而这些新兴的听天巨“耳”使得我们在“目明”之外更加“耳聪”。通过它们，我们将会听到一个暗中涌动、“五音俱全”的引力波宇宙，穿透时空直至宇宙的创生时刻。

　　今天我们就聊到这里。下一期，我们来谈谈地基引力波探测。

　　主讲人简介：陆由俊，中国科学院国家天文台研究员，中国科学院大学岗位教授，主要研究领域为理论天体物理，包括黑洞物理、引力波天体物理、活动星系核和类星体等。