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光年之外｜寻找时空中的涟漪：引力波

吴岳良

2022-11-23 08:59

来源：澎湃新闻

∙ 澎湃研究所 >

【编者按】

太空深处的未知，与地球上的人类有何关联？无数代天文学家试图回答这个问题。但它又不止是个天文学命题。

值“基础科学促进可持续发展国际年”（IYBSSD）之际，中国科学院上海天文台与澎湃新闻共同推出“光年之外”系列专题。中科院院士、“太极计划”首席科学家吴岳良特别撰文，回溯人类探索引力波这一“时空涟漪”的一段简史。

1915年，爱因斯坦建立的广义相对论作为描述引力的经典场论，打破了牛顿万有引力定律的超距作用假设，开辟了近代物理和宇宙学研究的新纪元。爱因斯坦“广义相对论”方程组导出的一个最重要的预言便是引力波。

图1 爱因斯坦引力场方程（作者供图）

引力波由物质和能量的剧烈运动和变化产生，在时空几何上呈现为时空曲率的一种波动，它在行进过程中挤压或拉伸时空，类似水面泛起的涟漪，以光速向外传播。

迄今为止，人类主要依靠可见光等电磁波手段（如红外线、射电波、可见光、紫外线、X射线和伽马射线）来探测宇宙。但宇宙学和天文学研究表明，电磁波仅能直接探测不超过5%的宇宙组分，超过95%的宇宙组分目前只能通过间接手段来研究。

有别于电磁波，引力波提供了观测宇宙的全新窗口，成为人类探索和认识未知世界的全新途径和手段。因而引力波被称为物理学皇冠上的明珠，是各国竞争的科学前沿。

引力波探测和研究可以打开通往宇宙黑暗深处未知领域的大门，为包括天文在内的基础科学研究提供关键信息，这有可能揭开暗能量和暗物质的神秘面纱，为我们呈现一幅更完整的宇宙图景。引力波将为揭示时空与引力的本质，探索统一理论提供一个不可替代的途径。

近年来，美国激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory; LIGO）合作组报告了多个引力波探测事例，实现了人类对引力波探测零的突破，走在了世界前列。

LIGO在引力波探测上的成功标志着人类进入了利用引力波进行引力本质、宇宙起源和演化研究的新时代。

作为地面引力波天文台，LIGO是目前一种主流的引力波探测方式，受地面噪声以及干涉仪尺度的限制，它的探测频段在10赫兹以上。由于波源特征质量小，引力波强度弱，它仅可探测红移z≈1的范围，约为120亿光年（这里的红移是指宇宙学红移，是一种距离单位）。

实际上，宇宙中存在大量引力波源，除了由黑洞、中子星和致密星系并合产生的引力波外，还包括起源于宇宙早期暴涨、原初黑洞、宇宙早期相变等产生的引力波。其引力波频率覆盖了从10-18赫兹到104赫兹的宽阔频段。

大质量黑洞并合、大质量黑洞俘获其他致密天体、双致密天体绕转、早期宇宙相变和宇宙弦等波源都能产生频率处于中低频段的引力波。中低频波源的特征质量大，引力波强度强，其探测范围可覆盖几乎全宇宙空间（红移z≈12）。更高红移、更大特征质量和尺度的波源，有更深刻的宇宙学和天文学意义。

探测这个频段的引力波需要摆脱地面噪声和地面实验尺度的限制，在太空实现百万公里级精密激光干涉测量（图2）。

图2 不同的引力波源和对应的探测装置（作者供图）

不同于地面，空间引力波探测主要瞄准从几千至几百万太阳质量的超大黑洞波源，其探测频段为中低频（0.1毫赫兹～1赫兹)。目前在中低频段，国际科学界尚未成功探测到引力波。

国际上最早的空间激光干涉引力波探测项目，可以追溯到1990年代的激光干涉空间天线（Laser Interferometer Space Antenna，LISA）项目，它由美国航空航天局和欧洲航天局合作发展。这也是近30年来发展相对成熟的空间引力波探测计划。

2016年，天文学家使用LISA探路者执行LISA项目的技术包演示验证计划。这项在轨试验的成功，证明了在现有条件下实施大型天基引力波探测的关键技术是可行的。

2008年，我国科学家开始探讨中国的空间引力波探测计划。

2012年，在巴黎举办的首届eLISA联盟会议上，我国科学家首次提出中国空间引力波探测计划。

不同于LISA早期计划的五百万公里和eLISA计划的一百万公里。2016年，该计划向外公布为“太极计划”，由三颗间距三百万公里的正三角形编队的卫星组成，以太阳为中心且质心位于地球公转轨道上，落后/超前地球约二十度（如图3）。该探测方案能够很好地避免地球重力噪声影响，满足高灵敏度探测所需的温控条件。

为满足科学目标，循序渐进地实现关键技术突破，太极计划制定了由“太极一号、太极二号、太极三号”组成的 “三步走”发展战略。

“太极一号”已于2019年8月底成功发射，为我国空间引力波探测迈出了奠基性的第一步。