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(chǎn)生的，但事實(shí)卻并非如此。任何具有質(zhì)量的物體，在加速時(shí)都會(huì)產(chǎn)生引力波。這包括你、我、車、飛機(jī)等等，只不過(guò)我們?cè)诘厍蛏袭a(chǎn)生的引力波實(shí)在是太小了，根本無(wú)法被探測(cè)到。引力波在空間中傳播的方式，類似于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(lái)的。像LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）和Virgo（室女座引力波天文臺(tái)）這樣的地基干涉儀，只對(duì)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(xiàn)象的能力。例如，它們無(wú)法探測(cè)到在星系中央的超大質(zhì)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(kuò)大物理學(xué)家的研究范圍。
下面的這張圖展示了引力波譜：
○ 這張圖顯示了與每個(gè)引力波頻率范圍相關(guān)的源，以及不同頻率所需的引力波探測(cè)器類型。| 圖片來(lái)源：NASA/J. I.Thorpe
在宇宙中，脈沖星、超新星、雙中子星、雙黑洞、被超大質(zhì)量黑洞捕獲的致密星、雙超大質(zhì)量黑洞的合并都可以輻射出引力波。不同的探測(cè)器只能探測(cè)到特定頻率范圍的現(xiàn)象。上圖中我們可以看到四種不同的探測(cè)器類型：
地基干涉儀（400 - 30赫茲）：目前，像LIGO這樣的天文臺(tái)可以探測(cè)到比探測(cè)器的臂長(zhǎng)（3-4公里）還長(zhǎng)的波，其周期相當(dāng)于百分之幾到千分之幾秒。
天基干涉儀（100 - 0.1毫赫茲）：LISA（Laser Interferometer Space Antenna）是由三個(gè)探測(cè)器組成的太空激光干涉儀，預(yù)計(jì)在2030年代發(fā)射。它的虛擬探測(cè)器臂長(zhǎng)達(dá)數(shù)百萬(wàn)公里，這使它對(duì)周期為幾十秒到幾小時(shí)的波變得極為敏感。
脈沖星計(jì)時(shí)（320 - 1納赫茲）：來(lái)自遙遠(yuǎn)星系輻射出的引力波會(huì)擾亂地球和銀河系內(nèi)其他恒星之間的距離。研究人員希望追蹤脈沖星的射電信號(hào)延遲，來(lái)探測(cè)周期可以持續(xù)數(shù)年的波。
CMB測(cè)量（10-13 - 10-16赫茲）：宇宙最古老的可測(cè)量的輻射被稱為宇宙微波背景（CMB），它或許隱藏了大爆炸產(chǎn)生出引力波的證據(jù)。隨著宇宙不斷的膨脹，這些波也被顯著地拉長(zhǎng)了。
對(duì)于一個(gè)還不到三年的研究領(lǐng)域而言，引力波的相關(guān)進(jìn)展早已超越了預(yù)期。但這僅僅只是開(kāi)始。引力波正慢慢地為我們揭曉更多關(guān)于宇宙的秘密。
宇宙中最大的謎題
1980年代中期，物理學(xué)家Bernard Schutz想到了一種新的方法來(lái)解決天文學(xué)中最古老的問(wèn)題之一：如何測(cè)量遙遠(yuǎn)天體的距離。過(guò)去，研究人員一直依靠于天體的亮度來(lái)粗略測(cè)量它們的距離。但是，這種方法帶來(lái)了無(wú)盡的復(fù)雜性。例如，離我們較近的那些昏暗的恒星，可以偽裝成更遠(yuǎn)的明亮的恒星。
Schutz意識(shí)到，或許引力波能夠?yàn)槲覀兲峁┐鸢浮Ｔ囅胍幌?，在遙遠(yuǎn)的深空中，當(dāng)兩顆黑洞或兩顆中子星相互合并時(shí)，它們便會(huì)產(chǎn)生引力波。當(dāng)引力波的信號(hào)抵達(dá)地球并被探測(cè)器接收時(shí)，頻率和頻率的變化率提供了關(guān)于黑洞或中子星的質(zhì)量的信息。有了這個(gè)信息，物理學(xué)家就可以推斷引力波在波源的強(qiáng)度。通過(guò)測(cè)量引力波到達(dá)地球上的探測(cè)器時(shí)的強(qiáng)度，科學(xué)家就可以估算出引力波從波源到地球的距離。因此Schutz預(yù)測(cè)，引力波或許能夠用來(lái)測(cè)量宇宙膨脹的速度。
那時(shí)，Schutz的想法可以說(shuō)是非常優(yōu)美然而卻是不切實(shí)際的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)根本沒(méi)有人能探測(cè)到引力波。直到2017年，兩顆中子星合并輻射出的引力波（該事件被稱為“GW170817”），在傳播了1.3億年后抵達(dá)地球，Schutz的想法才終于得以照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。GW170817使Schutz有機(jī)會(huì)證明自己發(fā)展的技術(shù)將如何成為測(cè)量距離的最可靠的方法之一。
○ 2017年，雙子星的合并同時(shí)輻射出了引力波和電磁波。事實(shí)上，在雙中子星合并事件之前，LIGO在2015年就已經(jīng)首次直接探測(cè)到了引力波，之后共記錄了五對(duì)黑洞合并的事件。| 圖片來(lái)源：LIGO
GW170817之所以特別是因?yàn)樗?strong>同時(shí)釋放出了引力波和光，這使它成為了測(cè)量哈勃常數(shù)——描述了宇宙的膨脹速率——的全新工具。
由于GW170817可以釋放出光，因此傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡可以被用來(lái)定位該事件發(fā)生在哪里。而引力波信號(hào)可以被用來(lái)測(cè)量從地球到雙中子星的距離，這種類型的信號(hào)被稱為“標(biāo)準(zhǔn)警報(bào)”（Standard Siren）。接著，標(biāo)準(zhǔn)的天文學(xué)技巧可以被用來(lái)測(cè)量雙中子星所在的星系和它周圍的星系會(huì)以多快的速度遠(yuǎn)離地球。結(jié)合速度和距離的數(shù)據(jù)，Schutz和他的同事對(duì)哈勃常數(shù)進(jìn)行了一次全新的、完全獨(dú)立的計(jì)算。（關(guān)于哈勃常數(shù)，讀者可進(jìn)一步閱讀《著名的“哈勃定律”要被更名了？》）。
在過(guò)去的五年中，天文學(xué)家意識(shí)到兩種非常精確的獨(dú)立方法所測(cè)量出來(lái)的哈勃常數(shù)并不一致（分別是73.5km/s/Mpc和66.9km/s/Mpc）。第一次的標(biāo)準(zhǔn)警報(bào)測(cè)量并沒(méi)有解決這兩者之間的矛盾，它所估計(jì)出來(lái)的值（70km/s/Mpc）正好處于其他兩種方法的中間，并且有較大的誤差，這是因?yàn)槟壳爸粶y(cè)量到一次這樣的事件。但未來(lái)當(dāng)我們探測(cè)到越來(lái)越多合并事件時(shí)，研究人員預(yù)計(jì)可以將誤差控制在1%內(nèi)。相比之下，目前“標(biāo)準(zhǔn)燭光”（已知亮度的天體被稱為標(biāo)準(zhǔn)燭光，一直被用以測(cè)量距離）所能達(dá)到的最好精確度為2-3%。
而當(dāng)LISA發(fā)射時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)警報(bào)將會(huì)成為更強(qiáng)大的工具。屆時(shí)，科學(xué)家希望它能幫助我們解決宇宙學(xué)中最大的難題之一：暗能量（宇宙加速膨脹的幕后推手）的本質(zhì)。
然而，這僅僅只是引力波或許能夠提供答案的其中一個(gè)問(wèn)題。
更多的秘密
隨著未來(lái)將收集到的越來(lái)越多的數(shù)據(jù)，引力波將進(jìn)一步揭開(kāi)許多其他的秘。例如，引力波可以幫助我們：
檢驗(yàn)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。雖然愛(ài)因斯坦的理論在過(guò)去的一百多年中都極其的成功，但自廣義相對(duì)論提出以來(lái)，物理學(xué)家就已經(jīng)開(kāi)始構(gòu)建其他的引力理論。如果我們能在實(shí)驗(yàn)或觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)任何與廣義相對(duì)論相悖的現(xiàn)象，都將引導(dǎo)我們找到一個(gè)更好的理論。例如，物理學(xué)家希望看到更多關(guān)于合并后的黑洞產(chǎn)生的“鈴宕（ringdown）”波的細(xì)節(jié)，這個(gè)觀測(cè)可能會(huì)揭示出廣義相對(duì)論的裂縫。
○ 圖中顯示了雙黑洞經(jīng)歷旋進(jìn)（inspiral）、合并(merger)和鈴宕（ringdown）三個(gè)過(guò)程的波形。| 圖片來(lái)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(qiáng)核力。物理學(xué)家想知道為什么引力比其他三種力要弱得多。其中一種可能就是在長(zhǎng)距離的傳播時(shí)，引力會(huì)“泄漏”到其他維度。但如果這樣的事情真的發(fā)生了，那么科學(xué)家在引力波探測(cè)器測(cè)量到的信號(hào)就會(huì)比預(yù)期的弱。但至少在一項(xiàng)最新的研究中，科學(xué)家在分析了GW170817的數(shù)據(jù)后總結(jié)到，暫時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)額外的維度。
探索中子星的內(nèi)部。我們都聽(tīng)說(shuō)過(guò)中子星上的物質(zhì)密度非常的高，但到底有多高，誰(shuí)也說(shuō)不準(zhǔn)。相關(guān)的理論有幾十種。確定中子星的半徑讓物理學(xué)家可以對(duì)這些理論進(jìn)行篩選，因?yàn)檫@些理論預(yù)測(cè)了不同的“狀態(tài)方程”——聯(lián)系了壓力、溫度和物質(zhì)密度的公式。這類方程決定了物質(zhì)可以被壓縮到何種程度，中子星的質(zhì)量可以達(dá)到多高，以及對(duì)于給定質(zhì)量，中子星將會(huì)有多寬或窄。
揭開(kāi)雙黑洞的起源之謎。當(dāng)大質(zhì)量恒星的核心耗盡燃料并坍縮時(shí)，會(huì)釋放出超新星爆炸，留下一顆質(zhì)量為太陽(yáng)質(zhì)量的幾倍或幾十倍的黑洞。研究人員想要知道單獨(dú)的黑洞是如何相遇到一起的。對(duì)此有兩種可能的解釋：一開(kāi)始兩顆大質(zhì)量恒星便環(huán)繞在一起，甚至在超新星爆炸后仍保持在一起；又或者黑洞可能是獨(dú)立形成的，但后來(lái)由于與其他物體頻繁的引力作用而聚在一起。
等等其他重大問(wèn)題。我們甚至可以期待引力波將為我們提供關(guān)于發(fā)生在宇宙大爆炸后的一些細(xì)節(jié)。
不久后，LIGO和Virgo將再次重啟，開(kāi)始收集數(shù)據(jù)。下一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)很可能來(lái)自一顆正在坍縮的恒星釋放出的信號(hào)。但我們更加期待看到那些我們從未想過(guò)的事情。
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