引力波视角下的世界图景│科协2020前沿问题解读

本文是对第22届中国科协年会上发布的“2020重大科学问题和工程技术难题”之“引力波将如何揭示宇宙奥秘”的解读，由北京大学科维理天文与天体物理研究所邵立晶研究员撰写，发表于《科学通报》中文版。

自古希腊以来, 人们一直都在探索茫茫星空的无尽奥秘. 1609年的秋天, 45岁的意大利天文学家伽利略(Galileo Galilei)把望远镜指向了天空, 打开了一扇观测宇宙的窗口, 彻底地改变了人类对世界的认识. 伽利略本人也被后人尊称为“现代科学之父”和“观测天文学之父”. 如今, 人们已经不再局限于通过肉眼和可见光来观测星空. 现代天文学实现了从射电波段到伽马射线波段的全波段观测, 其波长范围跨越约20个数量级. 如此大的电磁波段覆盖范围使得人们能够从多个层次探索星空, 推动发现了一大批新的天体物理现象, 深刻地促进了人类对宇宙的认识.

但是, 除了极少数的宇宙射线观测以外, 人类对宇宙的认识主要还是停留在对电磁波, 即对光子的观测上. 2015年9月14日, 美国的激光干涉引力波观测台(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, LIGO)彻底地打破了这个局面, 首次直接探测到了来自双黑洞并合的引力波信号[1,2].

引力波是爱因斯坦(Albert Einstein)的广义相对论预言的一种时空涟漪, 它是时空本身的一种波动现象. 这种波动自产生以后, 在传播中很少受到物质分布的影响, 所以它保留着引力波波源(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产生与分布, 以及宇宙本身的形成与演化过程的绝佳探针.

与覆盖20个数量级的电磁探针相比较, 引力波有着自己独特的地方. 通常来说, 由于电磁相互作用, 光子难免要被周围的物质散射, 使得地球上观测到的很多光子已经不是第一手资料. 正因如此, 人们能够通过电磁波段看到的宇宙有一个极限屏障, 即宇宙大爆炸之后约38万年的微波背景辐射. 在此之前的光子, 由于与物质的频繁散射, 不能够到达地球. 也就是说, 电磁观测手段没有办法直接探索宇宙大爆炸后的38万年. 引力波由于与物质的相互作用微弱, 在大爆炸后与物质的退耦远远早于光子, 能够更早地从大爆炸火球里逃逸出来, 指引人们去研究电磁波难以企及的那部分宇宙. 类似的现象也发生在若干星体相关的天体过程中. 比如在超新星爆发过程中, 同样地, 由于光子与物质频繁的相互作用, 星体内部的光子被多次散射, 只有表层的光子能够钻出星体、到达望远镜. 引力波却能从星体中心逃逸, 为地球上的引力波探测器所捕获. 如此一来, 相对于光子来说, 引力波携带着星体内部宝贵的物理信息.

除了上面说的这点以外, 有些天体物理过程根本就不存在相应的电磁波段或者宇宙射线和中微子的辐射, 如真空中双黑洞系统的并合. 而这样的过程却常常在宇宙的演化中扮演着至关重要的角色, 对它们的直接探测就完全依赖于引力波手段了.

LIGO引力波探测器从本质上来说, 是一个精良的迈克耳孙(Albert Michelson)干涉仪, 通过稳定的激光相干干涉来实时地测量两个互相垂直的臂之间的相对距离变化. 因为引力波通常很微弱, 所以两个臂之间的距离变化非常小. LIGO合作组经过了几十年的努力, 才能把仪器噪声降低到一定程度, 使得提取数据中的引力波信号成为现实可能[3].

除了首例双黑洞并合引力波事件GW150914外, 最引人注目的当属首例双中子星并合事件GW170817[4]. 这是一例迄今为止观测到的离地球最近的引力波事件, 离我们仅有40 Mpc的距离, 宇宙学红移约为0.01. 幸运的是, GW170817由LIGO和意大利的室女座引力波探测器(Virgo Gravitational-wave Detector; Virgo)协同观测到, 使得引力波波源的空间定位较为准确. 更有意思的是, 在引力波的应变达到最大值后的1.7 s, 费米(Enrico Fermi)卫星在同一片天区探测到了一个微弱的伽马射线暴GRB 170817A[5]. 这个观测很大程度上支持了引力波事件GW170817来自于双中子星并合的观点. 在后续的电磁随动观测中, 全球各地的天文学家启用了70余架地面望远镜或空间卫星, 在多个波段的观测中测到了来自GW170817事例的电磁辐射, 特别是对预言中的千新星过程进行了实证测量[6,7]. 这一系列的观测华丽地开启了多信使天文学时代[8,9], 史无前例地揭示了中子星在多波段电磁学以及多信使协同探测中的重要物理过程, 对中子星的物态方程[10,11]、引力理论的实验检验[12,13]、宇宙学参数的测量[14,15]等方面产生了重要影响.

到现在为止, LIGO/Virgo合作组的观测结果已经陆续公布. 他们把第一次运行(first observing run; O1)和第二次运行(second observing run; O2)中的引力波事件编成了人类第一个引力波暂现源星表(Gravitational-Wave Transient Catalog, GWTC-1), 其中包括10个双黑洞并合事例和一个双中子星并合事例[16]. LIGO/Virgo合作组现在已经完成了第三次运行(third observing run; O3), 部分引力波事例已经公布, 相应的星表还在编制中, 将在近期内公布.

引力波领域这几年取得的丰富成果深层次地改变了人类对宇宙的认识. 但是, 迄今为止, 这些探测都是LIGO/Virgo探测器上的事例, 对引力波的探测频段限制在十赫兹到千赫兹的范围. 地面引力波跨越2个数量级的探测频段与电磁波跨越20个数量级的情况相比, 可谓是引力波研究初期非常窄的一个窗口罢了. 但是, 引力波的探测频率真的只能限制在这个范围吗? 答案是否定的. 引力波实验学家与理论学家正在积极思考下一代引力波探测器的设计与运行, 希望通过拓宽引力波探测的频率范围与增强探测实验对引力波应变的敏感度, 更多更好地探测各类引力波事例, 帮助人们更深层次地认识宇宙与理解背后的物理规律[17,18].

国内外多家天体物理研究单位正在积极加强对引力波的研究, 特别是期望扩展现有引力波实验探测的频段, 丰富其相应的科学目标(图1). 按频段来分, 未来引力波探测实验主要包括千赫兹的高频地面引力波探测实验、毫赫兹的空间引力波探测实验、纳赫兹的脉冲星计时阵列探测实验, 以及极低频的宇宙微波背景辐射极化探测实验.

图1 引力波频谱与相应的引力波波源和探测实验(来源: https://lisa.nasa.gov/)

(1)在千赫兹的高频地面引力波探测方面, 日本的神冈引力波探测器(Kamioka Gravitational-wave Detector, KAGRA)已经加入了LIGO/Virgo大合作组, 印度在建的地面引力波探测器LIGO-India也将于近年内加入, 从而形成全球的引力波探测器网络, 通过多架探测器实现对引力波波源的高精度定位, 以便于后续的电磁随动观测跟进[19]. 同时, 欧洲和美国的科学家正在研发下一代的地面引力波探测器——爱因斯坦望远镜(Einstein Telescope)和宇宙探索者(Cosmic Explorer), 有望将现有探测灵敏度提高10倍以上, 从而能够探测到千倍以上的引力波事例数, 几乎囊括了宇宙中所有的恒星级黑洞并合事件[20].

(2)在毫赫兹的空间引力波探测方面, 欧洲宇航局(European Space Agency, ESA)与美国宇航局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)20余年来合作研究的空间激光干涉仪(Laser Interferometer Space Antenna, LISA)将于2034年左右运行[21,22], 我国国内的团队也正在研发自主的空间引力波探测项目——天琴[23]和太极[24]. 国内外相应的探路者卫星先行项目已经发射成功并取得了一定的科学技术验证. 在不远的将来, 空间引力波探测器将打开毫赫兹频段的引力波探测窗口, 其探测目标包括中等质量和大质量的双黑洞并合事件、银河系内相对论性的双星系统、极端质量比的旋近事例等.

(3)在纳赫兹的脉冲星计时阵列探测方面, 国际上澳大利亚、欧洲、美国三组脉冲星计时阵列已经运行了10余年, 并联合组建了国际脉冲星计时阵列合作组(International Pulsar Timing Array, IPTA)[25]. 我国以贵州省黔南的500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST)领衔的中国脉冲星计时阵列(Chinese Pulsar Timing Array, CPTA)也正在逐渐成型. 脉冲星计时阵列通过将银河系中长期计时准确的脉冲星信号按照空间分布统一起来联合分析, 形成一个等价于银河系大小的引力波探测器, 通过脉冲星脉冲信号的残差关联曲线, 测量来自近邻星系中超大质量双黑洞并合的纳赫兹频段引力波, 以对星系的并合和演化提供重要的信息.

(4)在极低频的宇宙微波背景辐射极化探测方面, 国外已经开展了若干年, 我国目前正在西藏阿里地区建设北天区第一个地面观测实验(Ali Cosmic microwave Polarization Telescope, AliCPT), 其核心科学目标是捕获微波背景辐射极化信号的原初起源, 这将有机会为我们揭开宇宙学研究中原初引力波的神秘面纱, 并对极早期宇宙的模型进行严格筛选.

综上, 科学家们对引力波探测窗口的拓展正在进行积极的努力, 最终也将会实现跨越约20个数量级的引力波全谱观测(图1), 这势必将在物理学界、天文学界引起革命性的变化. 同电磁波段的观测一样, 引力波观测的多个频段间的科学目标并不是孤立的. 对于某些特定的引力波源(如恒星级质量双黑洞), 通过对几类引力波探测适当的联合分析, 将能实现引力波的多波段观测[26,27]. 另外, 对于有物质存在的情况, 引力波波源在辐射引力波的同时, 可以有相应的电磁波辐射. 引力波波段的观测与电磁波段的随动观测为我们提供了难得宝贵的多信使窗口; 这一点在GW170817的观测中已经展现出了巨大的科学潜力[8,9]. 鉴于此, 国内外有不少天文学研究机构正在升级或者新建针对引力波波源随动观测的大型天文学设备, 包括地面望远镜和空间卫星等.

在引力波的科学研究方面, 虽然现在已经有了丰富的成果, 但针对该领域后面更进一步的大规模发展, 仍旧存在着若干难题亟需解决. 这些难题可粗略地分为基本物理、天体物理和数据分析三大方面, 下面做简单说明.

(1)在基本物理方面, 最根本的问题在于如何从给定的引力理论(如广义相对论)得到关于引力波波形的预言.特别地, 由于我们对广义相对论的两体问题并没有一个完整的解析解, 现在需要依靠有机结合各种手段——包括解析相对论、数值相对论等——来得到引力波探测中能实际使用的波形模板库(图2)[28]. 但这些方法都有一定的局限性, 难以在较大的参数空间(包括双星的质量比、轨道的椭率与进动、物质效应等)有精确的波形预言. 另一方面, 引力波观测数据的质量会持续上升, 这就要求有极其精确的引力波波形模板库来做匹配滤波. 这两者之间的矛盾将是引力波科学发展中不可避免、必须克服的难题[29].

图2引力波波形模板与各部分的理论处理方法

(2)在天体物理方面, 一方面需要拓展更多的目标源以丰富科学内容, 另一方面需要更有效地从引力波数据反推天体物理系统的信息.从数据反推源信息这类逆问题向来是天文学等学科中的难点. 对这类问题的解决要求我们对天体物理的各类源以及它们的演化情况有深入且全面的了解, 这样才能有把握地反推逆问题, 得到关于引力波源的正确信息[30].

(3)引力波的时序数据有其特殊的地方.例如, 对空间引力波探测器而言, 数据一般是若干种不同信号的叠加. 关于如何有效地区别开各类引力波信号, 分别得到它们的参数, 是引力波数据处理中尚未解决的问题. 引力波科学家正在尝试借鉴多种方法——包括计算机领域的机器学习与特征识别等——来帮助无偏差地处理引力波时序数据. 近些年来, 通过有机结合引力波科学与数据科学的研究, 有望在该难题上提供实际可行的数据处理手段.

以上列出的引力波科学研究中的三大难点并不是孤立的, 而是一个有机的整体. 对这些难点的解决, 需要三方面的科学家通力合作, 共同攻克.

引力波的探测能够打开我们的视野, 研究电磁手段所难以企及的宇宙的“黑暗面”. 在各个频段上, 引力波将帮助我们认识从恒星级到星系级质量的黑洞, 从而理解黑洞的形成与演化, 以及与之共生的星系与宇宙; 帮助我们理解中子星系统的产生和并合过程, 揭示极端情况下超核密度物质物态方程以及黑洞视界的形成. 另外, 引力波的波形中包含了关于时空与物质相互作用的丰富信息, 能够用来探索包括宇宙膨胀、暗物质、引力、核物质物态方程、原初黑洞等多个方面的基本物理现象与规律, 有望解答广义相对论与粒子物理的标准模型所遗留下来的深层次问题, 从而大大加深我们对自然界本质的理解.

最后值得一提的是, 由于“对LIGO探测器和引力波观测决定性的贡献”, 2017年的诺贝尔物理学奖授予了韦斯(Rainer Weiss)、巴里什(Barry Barish)和索恩(Kip Thorne). 他们多次在公开演讲中强调, LIGO对引力波探测最重大的意义不在于探测到引力波本身, 而在于打开了一扇观测宇宙的全新窗口, 就如同400多年前伽利略把望远镜指向天空那样, 引力波观测将会在不远的将来为我们带来电磁学观测难以探索到的那部分“暗黑宇宙”的全新认知, 展现给人类一幅引力波视角下完整的世界图景.

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邵立晶

北京大学科维理天文与天体物理研究所研究员、博士生导师, 第四届中国科协青年人才托举工程入选者, 现担任北京大学科维理天文与天体物理研究所与德国马克斯·普朗克射电天文研究所的“马普伙伴合作组”组长. 主要从事引力理论检验、引力波、中子星与脉冲星等相对论性天体物理的研究. 曾为“激光干涉引力波观测台”(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, LIGO)科学合作组成员, 为其构建研发的引力波波形模板库在引力波的搜寻和参数估计等方面发挥了重要的作用, 并持续被LIGO/Virgo合作组大规模应用到实际的引力波数据分析中. 现为“神冈引力波探测器”(Kamioka Gravitational-wave Detector, KAGRA)合作组成员、“事件视界望远镜”(Event Horizon Telescope, EHT)合作组成员, 并在2020年与EHT合作组347位科学家分享了“基础物理学突破奖”.