時空的秘密

也許在你們的腦海中早就印下引力波是由像中子星、黑洞這樣極端的物體才能夠產生的，但事實卻並非如此。任何具有質量的物體，在加速時都會產生引力波。這包括你、我、車、飛機等等，只不過我們在地球上產生的引力波實在是太小了，根本無法被探測到。引力波在空間中傳播的方式，類似於光或聲音在空氣中的傳播方式。

引力波譜

就像電磁波一樣，引力波也是由許多不同的物體以不同的頻率所輻射出來的。像LIGO（激光干涉引力波天文台）和Virgo（室女座引力波天文台）這樣的地基幹涉儀，只對一小部分的頻率敏感，這就限制了它們能夠「看到」某些特定宇宙現象的能力。例如，它們無法探測到在星系中央的超大質量黑洞的碰撞。但是，天基的干涉儀和其它捕捉引力波的方法卻可以擴大物理學家的研究範圍。

下面的這張圖展示了引力波譜：

這張圖顯示了與每個引力波頻率範圍相關的源，以及不同頻率所需的引力波探測器類型。| 圖片來源：NASA/J. I.Thorpe

在宇宙中，脈衝星、超新星、雙中子星、雙黑洞、被超大質量黑洞捕獲的緻密星、雙超大質量黑洞的合併都可以輻射出引力波。不同的探測器只能探測到特定頻率範圍的現象。上圖中我們可以看到四種不同的探測器類型：

地基幹涉儀（400 - 30赫茲）：目前，像LIGO這樣的天文台可以探測到比探測器的臂長（3-4公里）還長的波，其周期相當於百分之幾到千分之幾秒。

天基幹涉儀（100 - 0.1毫赫茲）：LISA（Laser Interferometer Space Antenna）是由三個探測器組成的太空激光干涉儀，預計在2030年代發射。它的虛擬探測器臂長達數百萬公里，這使它對周期為幾十秒到幾小時的波變得極為敏感。

脈衝星計時（320 - 1納赫茲）：來自遙遠星系輻射出的引力波會擾亂地球和銀河系內其他恆星之間的距離。研究人員希望追蹤脈衝星的射電信號延遲，來探測周期可以持續數年的波。

CMB測量（1-13- 1-16赫茲）：宇宙最古老的可測量的輻射被稱為宇宙微波背景（CMB），它或許隱藏了大爆炸產生出引力波的證據。隨著宇宙不斷的膨脹，這些波也被顯著地拉長了。

對於一個還不到三年的研究領域而言，引力波的相關進展早已超越了預期。但這僅僅只是開始。引力波正慢慢地為我們揭曉更多關於宇宙的秘密。

宇宙中最大的謎題

1980年代中期，物理學家Bernard Schutz想到了一種新的方法來解決天文學中最古老的問題之一：如何測量遙遠天體的距離。過去，研究人員一直依靠於天體的亮度來粗略測量它們的距離。但是，這種方法帶來了無盡的複雜性。例如，離我們較近的那些昏暗的恆星，可以偽裝成更遠的明亮的恆星。

Schutz意識到，或許引力波能夠為我們提供答案。試想一下，在遙遠的深空中，當兩顆黑洞或兩顆中子星相互合併時，它們便會產生引力波。當引力波的信號抵達地球並被探測器接收時，頻率和頻率的變化率提供了關於黑洞或中子星的質量的信息。有了這個信息，物理學家就可以推斷引力波在波源的強度。通過測量引力波到達地球上的探測器時的強度，科學家就可以估算出引力波從波源到地球的距離。因此Schutz預測，引力波或許能夠用來測量宇宙膨脹的速度。

那時，Schutz的想法可以說是非常優美然而卻是不切實際的，因為當時根本沒有人能探測到引力波。直到2017年，兩顆中子星合併輻射出的引力波（該事件被稱為「GW170817」），在傳播了1.3億年後抵達地球，Schutz的想法才終於得以照進現實。GW170817使Schutz有機會證明自己發展的技術將如何成為測量距離的最可靠的方法之一。

2017年，雙子星的合併同時輻射出了引力波和電磁波。事實上，在雙中子星合併事件之前，LIGO在2015年就已經首次直接探測到了引力波，之後共記錄了五對黑洞合併的事件。| 圖片來源：LIGO

GW170817之所以特別是因為它同時釋放出了引力波和光，這使它成為了測量哈勃常數——描述了宇宙的膨脹速率——的全新工具。

由於GW170817可以釋放出光，因此傳統的望遠鏡可以被用來定位該事件發生在哪裡。而引力波信號可以被用來測量從地球到雙中子星的距離，這種類型的信號被稱為「標準警報」（Standard Siren）。接著，標準的天文學技巧可以被用來測量雙中子星所在的星系和它周圍的星系會以多快的速度遠離地球。結合速度和距離的數據，Schutz和他的同事對哈勃常數進行了一次全新的、完全獨立的計算。（關於哈勃常數，讀者可進一步閱讀《著名的「哈勃定律」要被更名了？》）。

在過去的五年中，天文學家意識到兩種非常精確的獨立方法所測量出來的哈勃常數並不一致（分別是73.5km/s/Mpc和66.9km/s/Mpc）。第一次的標準警報測量並沒有解決這兩者之間的矛盾，它所估計出來的值（70km/s/Mpc）正好處於其他兩種方法的中間，並且有較大的誤差，這是因為目前只測量到一次這樣的事件。但未來當我們探測到越來越多合併事件時，研究人員預計可以將誤差控制在1%內。相比之下，目前「標準燭光」（已知亮度的天體被稱為標準燭光，一直被用以測量距離）所能達到的最好精確度為2-3%。

而當LISA發射時，標準警報將會成為更強大的工具。屆時，科學家希望它能幫助我們解決宇宙學中最大的難題之一：暗能量（宇宙加速膨脹的幕後推手）的本質。

然而，這僅僅只是引力波或許能夠提供答案的其中一個問題。

更多的秘密

隨著未來將收集到的越來越多的數據，引力波將進一步揭開許多其他的秘。例如，引力波可以幫助我們：

檢驗愛因斯坦的廣義相對論。雖然愛因斯坦的理論在過去的一百多年中都極其的成功，但自廣義相對論提出以來，物理學家就已經開始構建其他的引力理論。如果我們能在實驗或觀測中發現任何與廣義相對論相悖的現象，都將引導我們找到一個更好的理論。例如，物理學家希望看到更多關於合併後的黑洞產生的「鈴宕（ringdown）」波的細節，這個觀測可能會揭示出廣義相對論的裂縫。

圖中顯示了雙黑洞經歷旋進（inspiral）、合併(merger)和鈴宕（ringdown）三個過程的波形。| 圖片來源：LIGO

尋找額外維度。自然界中存在著四種基本力，分別是引力、電磁力、弱核力和強核力。物理學家想知道為什麼引力比其他三種力要弱得多。其中一種可能就是在長距離的傳播時，引力會「泄漏」到其他維度。但如果這樣的事情真的發生了，那麼科學家在引力波探測器測量到的信號就會比預期的弱。但至少在一項最新的研究中，科學家在分析了GW170817的數據後總結到，暫時沒有發現額外的維度。

探索中子星的內部。我們都聽說過中子星上的物質密度非常的高，但到底有多高，誰也說不準。相關的理論有幾十種。確定中子星的半徑讓物理學家可以對這些理論進行篩選，因為這些理論預測了不同的「狀態方程」——聯繫了壓力、溫度和物質密度的公式。這類方程決定了物質可以被壓縮到何種程度，中子星的質量可以達到多高，以及對於給定質量，中子星將會有多寬或窄。

揭開雙黑洞的起源之謎。當大質量恆星的核心耗盡燃料並坍縮時，會釋放出超新星爆炸，留下一顆質量為太陽質量的幾倍或幾十倍的黑洞。研究人員想要知道單獨的黑洞是如何相遇到一起的。對此有兩種可能的解釋：一開始兩顆大質量恆星便環繞在一起，甚至在超新星爆炸後仍保持在一起；又或者黑洞可能是獨立形成的，但後來由於與其他物體頻繁的引力作用而聚在一起。

等等其他重大問題。我們甚至可以期待引力波將為我們提供關於發生在宇宙大爆炸後的一些細節。

不久後，LIGO和Virgo將再次重啟，開始收集數據。下一個重大發現很可能來自一顆正在坍縮的恆星釋放出的信號。但我們更加期待看到那些我們從未想過的事情。

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