科学通报|引力波与引力检验

2015年9月14日，LIGO等首次探测到了双黑洞并合产生的引力波信号，打开了引力波天文学这门全新的研究领域。而引力波作为一种新的探针，为研究引力相关的物理提供了全新的视角。特别是，由于引力波一般产生于极强引力场的环境中，因此通过引力波，人们首次实现了直接研究强引力场理论，进而检验引力理论的可能性。爱因斯坦的广义相对论是目前最成功的引力理论，但是无论从理论上还是从观测上来看，它都不应该是最终的引力理论。特别是在强引力中，对广义相对论的偏离可能最为明显。因此，当前引力检验主要是通过与其他引力理论来对比，从而实现对广义相对论的观测检验，以期最终发现对广义相对论偏离的信号。

中国科学技术大学赵文教授课题组在《科学通报》“自然科学基金项目进展专栏”发表评述文章，介绍了目前的地面激光干涉仪引力波天文台，包括美国的LIGO、欧洲的Virgo、日本的KAGRA等，以及未来的第三代地面探测器和空间探测器所能探测到的致密双星并合的引力波源，介绍了通过分析这些波源的引力波波形来检验引力理论的基本原理、目前的探测现状，以及未来探测可能达到的灵敏度。

广义相对论中的引力波有明显的特征，主要包括：（1）引力波只有两个极化模式，即“+”极化引力波和“x”极化的引力波；（2）最低阶的引力辐射来自于系统的四极加速度；（3）真空中引力波的传播速度严格等于光速。但是，这些性质在一般的修改引力中都可能被违反，这就为通过引力波来实现引力检验提供了主要的思路。当前引力波天文研究中的引力检验主要分为两类，分别是：模型相关的引力检验和模型无关的引力检验。前者是具体计算出不同引力理论中双星并合过程中辐射的引力波波形，通过对比实际的观测数据来实现对模型参数的限制，而后者则是针对引力理论或者引力波的某类特性，通过分析观测数据，研究是否存在对广义相对论的偏离。

对于模型相关的引力检验，分别介绍了三个典型的修改引力理论，分别是Brans-Dicke引力理论、一般的屏蔽修改引力理论、一般的宇称破坏引力理论。通过计算，发现Brans-Dick引力中存在三种引力波极化模式，并且引力辐射不但可以来自四极辐射，而且还可以来自单极辐射和偶极辐射；而在一般的屏蔽修改引力中，引力波则有四种极化模式，并且两种新的极化模式，即呼吸模式和纵波模式，都是以亚光速在真空中传播，并且该理论中引力波也可以有单极和偶极辐射；而在一般的宇称破坏引力中，最明显的特性是，左旋引力波和右旋引力波在传播过程中会发生分裂，从而产生振幅双折射效应和速度双折射效应。利用现有的观测数据分别对这些引力理论进行了参数限制。对于模型无关的引力检验，分别介绍了几种典型的案例，分别是：检验引力波中的后牛顿系数；检验引力波的传播速度；检验引力波的色散关系；检验引力波的光度距离；检验引力波的极化模式；检验引力的宇称对称性等。针对每一种情况，分别介绍了具体的检验方法，以及当前的检验现状，并发现目前的观测数据中尚未发现偏离广义相对论的迹象。

总之，引力波提供了一种检验强场环境中引力性质的极佳手段。目前，利用LIGO等已经探测到的引力波源，人们已经在不同角度实现对引力以及引力波基本物理性质的高精度检验。未来，随着空间引力波探测器，以及脉冲星计时阵列、宇宙微波背景辐射极化等探测方法的发展，必将进一步极大地提高引力检验的精度，并期望最终发现对广义相对论的偏离，从而促进引力理论乃至整个理论物理的发展。

目前已经观测到的致密双星并合引力波源质量分布, 包括恒星级黑洞(蓝色)和中子星(橙色). 作为比较, 图中还包含了电磁波方法探测到的黑洞(红色)和中子星(黄色). 图片来自ligo.caltech.edu

赵文*, 牛睿. 引力波与引力检验. 科学通报, 2024, 69(25): 3770–3784

https://doi.org/10.1360/TB-2024-0117

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