引力波有什么用？)

本文发表于《三联生活周刊》2018年第18期，原题《宇宙中的标准笛声》

美国天文学家埃德温·哈勃

宇宙膨胀的速度有多快？

探测到的来自宇宙深处的引力波对人类有什么用？这是人们经常问的问题。

在地球表面，通过一对长度为4公里的相互垂直的干涉臂，利用激光的干涉现象探测到时间空本身微小的尺度变化，这本身就是一个了不起的成就，其意义当然远不止于此。对引力波信号的探测，相当于人类拥有了一个极其灵敏的感觉器官。从此人类有了感知这个宇宙存在的方法，这必将对天文研究产生深远的影响。

20世纪20年代，埃德温·哈勃有了突破性的发现，所有的星系都在远离我们，这意味着整个宇宙都在膨胀，天体远离地球的速度与它们离地球的距离成正比。这个比值的系数叫做哈勃常数。正是这个发现让人类意识到宇宙是有开端的。

进入21世纪后，人类意识到宇宙不仅在膨胀，而且在加速膨胀。问题是，宇宙膨胀的速度有多快？这可以说是目前宇宙学研究中最重要的问题之一，因为它不仅关系到人类对宇宙发展历史的认识，还关系到宇宙的未来以及推动宇宙加速膨胀的暗能量的真实身份。

人类习惯通过星光认识宇宙。通过检查接收到的星光的红移，我们可以计算出星系远离地球的速度(这正是哈勃用来判断宇宙膨胀的方法)，但更困难的是如何测量这些星系离我们的实际距离。为了知道星系和地球之间的准确距离，我们需要精确测量哈勃常数。人类测量这个常数主要有两种方式，但这两种方式得到的数值并不一致。

天文学家测量宇宙中天体和地球之间的距离。目前最常用的方法是标准蜡烛法。据知，有些天体因其结构特征一致、亮度恒定而被命名为“标准烛光”。人类通过望远镜观察这些天体时，由于它们与地球的距离不同，看起来亮度也不同。通过比较观测到的亮度与其理论真实亮度，天文学家可以计算出这些标准烛光与地球之间的真实距离。利用这种方法，天文学家测量了哈勃常数的值:在中，每相隔326万光年(100万秒差距)，星系倒退的速度将增加约73.5公里/秒。然而，在2015年，天文学家通过地球轨道上的普朗克卫星仔细测量了宇宙微波背景辐射，通过这种方法得到的哈勃常数的值是，每相隔326万光年的距离，星系倒退的速度就会增加约70公里/秒——两者差距不算太大。

问题出在哪里，差异从何而来？天文学家认为也许这两种方法都不太准确。比如用“标准烛光”的方法判断天体的距离，虽然理论上用作标准烛光的天体亮度是可信的，但从地球上观测时，其亮度不仅会受到距离的影响，还会受到天体周围环境的影响。星光传播过程中宇宙尘埃和气体的干扰会降低探测的精度。另一方面，通过普朗克卫星探测到的宇宙微波背景辐射来判断哈勃常数，是基于所谓的“标准宇宙模型”，这个模型包括暗能量、暗物质和可见物质。可以说它反映了当前人类对宇宙整体状态的认知，但它能准确描述宇宙全貌吗？对宇宙状态认识不足也会影响哈勃常数的测量。

引力波有什么用？

两种方法测量哈勃常数的结果是不一样的，那么怎样才能得到最准确的值呢？引力波探测开辟了一条新的途径，可能为天文学家提供一种前所未有的手段来精确测量天体之间的距离。可以说，引力波探测在天文学研究中最大的用途在于测量宇宙膨胀的速度和宇宙膨胀的历史。人类甚至有可能通过引力波研究知道宇宙为什么在膨胀。

其实早在30多年前，天文学家就预言人类有可能利用引力波解决天文问题。1986年9月，英国卡迪夫大学天文学家伯纳德·舒茨(Bernard Shu Ci)在《自然》杂志上发表了一篇论文《从引力波观测中确定哈勃常数》。他在论文中提出，人类可以解决长期困扰天文学家的一个重要问题——宇宙膨胀的速度有多快。

虽然这样的论文在理论上无懈可击，但在当时，由于人们还不知道是否真的有可能探测到引力波信号，这就如同屠龙之术，并没有太大的实际意义。当引力波信号被发现后，30多年前这篇论文的真正价值才得以体现。引力波天文测量是一种全新的、独立的方法，因此可以作为判断前两种方法有效性的标准，其精度在理论上可以优于其他方法。

引力波在穿过空本身时以光速传播，在传播过程中不会受到环境的干扰。因此，通过引力波判断天体间距离的准确性要高于标准烛光法。如果说星光对宇宙的探测属于光学范畴，那么引力波在频率范围内更接近于声音(人们甚至可以直接将引力波信号作为音频进行广播)。因此，继“标准烛光”概念之后，天文学家提出了“标准海妖”的概念，即可以通过探测到的引力波信号的强度来判断天体与地球的实际距离。

目前，人类已经观测到了相互环绕5圈的两个恒星级黑洞系统合并过程中发出的引力波信号，这成为宇宙中天体“黑洞”真实存在的最直接证据。但更让天文学家兴奋的是，2017年8月，LIGO观测到了两颗中子星在合并过程中发出的引力波。与黑洞在合并过程中完全不可见不同的是，距离地球1.3亿光年发生的名为“GW170817”的中子星合并事件不仅释放了引力波，还释放了大量伽马射线。天文学家可以通过各种手段观测到同一个宇宙现象，通过估算信号的原始强度，并与探测到的强度进行比较，来判断与地球的距离。

天文学家渴望通过引力波信号测量天体的精确距离，并充当前两种天文测距方法的裁判。但问题是，目前人类获得的引力波数据仍然太少，人们只能根据目前能得到的唯一一颗中子星的引力波数据来计算哈勃常数。结果发现，每相隔326万光年，星系退行的速度就会增加约66.9km/s——这个值正好介于上述两种方法得到的两个值之间。相信这个误差会随着中子星并合的引力波信号的积累而越来越小，所以天文学家渴望再次探测到中子星并合的引力波信号，从而不断修正用这种方法计算的哈勃常数。

它不仅用于测量天体与地球的距离，而且在引力波信号中包含了更多的信息。无论是在天文学领域还是基础物理领域，科学家都希望通过研究引力波信号建立更精确的模型。例如，物理学家渴望知道中子星的内部结构。这种天体是宇宙中除黑洞外密度最大的物体。了解它们的内部结构对物理学研究意义重大。中子星合并过程中的引力波信号包含了这一重要信息。

在“GW170817”中子星并合事件的观测过程中，天文学家记录了100秒的引力波信号，但最终由于其频率过高，超出了装置的探测范围，错过了重要部分。正因为如此，人们渴望积累更多的中子星来合并引力波信号。比如中子星有多大，物质可以被压缩到什么程度？宇宙中的一些伽马射线暴从何而来？一些重元素是怎么形成的？所有这些问题都可以从引力波信号中得到解答。

另一方面，两个恒星双黑洞系统是如何相互围绕旋转并最终融合在一起的？是燃尽的恒星爆炸形成的黑洞，然后在引力的作用下相互靠近，还是原来两颗相互旋转的恒星逐渐燃尽变成黑洞，双星系统变成双黑洞系统？天文学家还希望在积累了足够多的黑洞来合并引力波信号后，可以通过判断它们之前的自旋状态来判断这一点。

引力波天文学刚刚起步

从人类第一次探测到引力波信号开始，引力波天文学时代刚刚开启三年，一切才刚刚开始。所以人们才对它充满希望。天文学家希望通过引力波了解宇宙从诞生到现在的发展历史，星系形成、合并和发展的过程，宇宙膨胀的整个原因和过程，绘制出整个宇宙的黑洞图。

不仅如此，天文学家还希望通过引力波预测整个宇宙的未来，找出暗能量的本质，从而知道宇宙是否会永远加速膨胀。

为了实现这些宏伟的目标，现有的引力波探测手段远远不够。除了位于美国的两台LIGO引力波探测器外，欧洲六国联合建造的处女座引力波探测器也成为人类引力波探测的重要装置。科学家们目前正在加强LIGO和处女座探测器的灵敏度。日本还在建造Kamoka引力波探测器(KAGRA)，其臂长为地下3公里，可以在位置上补充LIGO和处女座。越来越多的引力波探测设备将逐渐在地球上形成引力波探测网络，但最令人期待的还是欧洲空局(ESA)正在建造的激光干涉空天线(LISA)。LISA计划在20世纪30年代开始工作，以远超地球引力波探测器的规模探测太空中另一个领域的引力波信号空。

地球上的引力波探测器适用于探测高频范围(10 Hz到1000 Hz)的引力波信号，但无法探测更低频率范围的引力波信号，因为其尺度和周围噪声的限制。而将在Tai 空工作的LISA将探测0.00002 Hz到0.1 Hz之间的低频引力波信号。在Tai 空中，三个探测器，相距250万公里，组成一个三角形，用激光连接，相互配合探测低频引力波。

在这个频率范围内，人类有可能观测到远超恒星黑洞的巨型黑洞合并过程。例如，我们知道在许多星系的中心存在一个质量相当于数十亿颗恒星的超巨星黑洞。如果两个星系相互碰撞合并，那么两个这种大小的超巨星黑洞在合并过程中会发出低频引力波信号，而这样的信号可能会被LISA从20世纪30年代开始探测到。当我们观察超巨星黑洞的合并过程时，人们会对整个宇宙的演化历史和星系的发展史有更清晰的认识。考虑到宇宙中数千亿个星系的数量，一些天文学家预测，LISA开始工作后，也许每年可以探测到几次这样惊人的星系合并过程。

正是因为LISA探测器的超高灵敏度，人们可以想象当它开始工作的时候，会立刻发现看似安静的宇宙其实充满了各种嘈杂的噪音，非常热闹。丽莎会“听到”宇宙中各种天体无休止地发出的各种引力波信号，其中很多来自宇宙遥远的过去，甚至来自宇宙的开端。宇宙的整个发展史将通过引力波展现给人类。

因为成本高，意义大，欧洲空局间在2015年首先推出了激光干扰空局间天线“LISA探路者”来测试这个想法的可行性。在地球轨道上，两个质量为2kg的块体在没有重力影响的情况下，彼此相距38cm，通过激光相互连接。经过一年多的测试，结果表明这种实验方法的可靠性超出了人们的预期。如无意外，LISA将于2034年上升空，届时人类将开启另一个引力波天文学新时代。

宇宙是什么形态，取决于人类如何观察它。一方面是冷清，空开放安静，一方面是嘈杂无序，充满了各种可能和秘密。人类想象的宇宙，包含了时间空本身，所有的物理现实，所有的可能性。人类希望了解宇宙的起源，也希望能够预测宇宙的未来。虽然这个目标似乎还很遥远，但引力波天文学的兴起，不仅会让我们对探索宇宙的未来更加乐观，也会让我们对人类文明的未来和理性的力量更加乐观。