天文學(xué)超大事件：超大引力波 ！捕獲 ！

天體物理學(xué)有大發(fā)現(xiàn)的傳言已經(jīng)在坊間流傳數(shù)天，6月30日終于水落石出：包括中國(guó)科學(xué)家在內(nèi)的多國(guó)科學(xué)團(tuán)隊(duì)同時(shí)發(fā)表了一系列論文，宣布我們找到了宇宙背景引力波的證據(jù)。通向宇宙秘密的道路，又開啟了新的一條。

美國(guó)著名理論物理學(xué)家基普·索恩在發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)。

01 什么是引力波？

【資料圖】

石頭扔到水里會(huì)產(chǎn)生水波，電子加速起來(lái)會(huì)產(chǎn)生電磁波，引力波也是同樣的道理：一個(gè)具有質(zhì)量、能產(chǎn)生引力的物體發(fā)生加速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候所產(chǎn)生的波。很遺憾，引力作為一種力實(shí)在是太小了，小到一整個(gè)地球產(chǎn)生的引力都可能敵不過(guò)你的幾塊肌肉——把你的手機(jī)從桌子上拿起來(lái)，就是你的肌肉勝利的證明。而引力波更是微小到離譜，對(duì)我們的日常生活完全無(wú)法產(chǎn)生任何影響。

這也就不難理解了，為什么19世紀(jì)的科學(xué)家就預(yù)言了引力波的存在，但此后的一百多年里，人們根本無(wú)法探測(cè)到它。直到1974年，我們才間接觀察到引力波，而直接確認(rèn)引力波的真正存在，已經(jīng)是21世紀(jì)的事情了。

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02 引力波不是舊聞了嗎？

2015年人類第一次直接觀察到了“引力波本波”。這一發(fā)現(xiàn)贏得了2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。后來(lái)，科學(xué)家又檢測(cè)到了好幾次引力波，也都上了新聞。不過(guò)，之前的那幾次和這次有一點(diǎn)不同：那幾次都是“小”波，是中小型黑洞碰撞融合產(chǎn)生的。這一次是大家伙！

其實(shí)，說(shuō)之前“小”也不是非常公平。2015年那次觀察到的兩個(gè)黑洞，一個(gè)是太陽(yáng)的36倍，另一個(gè)是太陽(yáng)的29倍，以人類的尺度來(lái)說(shuō)，已經(jīng)大到難以想象了。可就算是這么大的兩個(gè)天體，產(chǎn)生的引力波也只能讓4千米長(zhǎng)的探測(cè)器伸縮千分之一個(gè)質(zhì)子那么大點(diǎn)而已。

但中小型黑洞的碰撞有一個(gè)好處，那就是它發(fā)出的引力波是高頻的，比較“尖細(xì)”，只需要區(qū)區(qū)幾千米的“小”探測(cè)器就能檢測(cè)到。如果是更大規(guī)模的引力變化，比如超巨大黑洞、大爆炸回響什么的，發(fā)出的引力波是低頻的，比較“低沉”，那就需要超長(zhǎng)的探測(cè)器——整個(gè)地球甚至整個(gè)太陽(yáng)系都擺不下的那種。

整個(gè)地球都裝不下，那人類怎么可能造得出來(lái)呢？其實(shí)沒事兒，物理學(xué)家和天文學(xué)家經(jīng)常遇到這種問題。他們非常擅長(zhǎng)把自然界已經(jīng)存在的超巨大物體變成探測(cè)器的一部分。這回，他們用的是天上的星星。

03 跨越虛空的群星之尺

1967年，英國(guó)天體物理學(xué)家約瑟琳·貝爾還只是一個(gè)研究生。但這一年，她發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的天體，它會(huì)非常穩(wěn)定地發(fā)射有規(guī)律的電磁波。有些科學(xué)家開玩笑說(shuō)這可能是外星人給地球發(fā)射的信號(hào)。所以，她和她的同事給這個(gè)天體起了個(gè)外號(hào)叫“小綠人1號(hào)”。后續(xù)的研究很快證明這是純粹天然的現(xiàn)象，無(wú)需智慧生命的參與。

這種電磁波信號(hào)每隔一段固定時(shí)間就出現(xiàn)然后消失，像脈搏一樣，無(wú)線電傳統(tǒng)管這樣不連續(xù)的信號(hào)叫“脈沖”，所以發(fā)射這個(gè)信號(hào)的天體，就得名為脈沖星。脈沖星的發(fā)現(xiàn)后來(lái)得到了諾貝爾獎(jiǎng)。（但貝爾本人卻沒有獲獎(jiǎng)，這是諾獎(jiǎng)歷史上對(duì)女科學(xué)家不公正的著名案例之一）脈沖星中的引力波爆發(fā)。

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現(xiàn)在我們知道，脈沖星是中子星的一種，換句話說(shuō)是“死掉的星星的尸體”。脈沖星發(fā)射出來(lái)的電磁波本身是連續(xù)的而不是脈沖的，但是它的電磁波只向自己的兩極發(fā)射，同時(shí)它又在高速旋轉(zhuǎn)，所以只有它的電磁波掃過(guò)地球的時(shí)候我們才能看見。從地球上看它，就像在大海上看燈塔的光一樣，隔一段時(shí)間就閃爍一次。道理上講，閃爍的間隔對(duì)應(yīng)它旋轉(zhuǎn)的間隔，應(yīng)該是完全規(guī)律的——實(shí)際上，它的電磁波在抵達(dá)地球的路上會(huì)受到各種小干擾，所以能觀察到微小的不規(guī)律。

科學(xué)家盯上的，就是這個(gè)規(guī)律里藏著的不規(guī)律。

引力波是空間本身傳遞的波，當(dāng)它改變探測(cè)器的長(zhǎng)度時(shí)，改變的其實(shí)不是探測(cè)器本身，而是探測(cè)器所屬的空間。如果脈沖星的信號(hào)在來(lái)地球的路上遇到了引力波，它的路途本身就會(huì)因?yàn)橐Σǘ冮L(zhǎng)或者變短，花的時(shí)間也會(huì)因此而變化。通過(guò)觀察這個(gè)變化，我們就等于是把我們和脈沖星之間的全部空間，都變成了引力波的探測(cè)器。

當(dāng)然，這事兒說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難。能干擾脈沖星信號(hào)的除了引力波，還有很多別的因素，需要一一排除掉。而且引力波的影響極為微小，引發(fā)的周期變化也許只有1微秒，需要非常精密的儀器。所以世界各國(guó)的科學(xué)家聯(lián)手探測(cè)了二十多年，才得到了這次的結(jié)果。

04 引力波的搖曳海洋

這次發(fā)現(xiàn)的并不僅僅是單一的引力波事件，而是全世界的數(shù)據(jù)大成，來(lái)自北美、歐洲、澳大利亞、印度、日本，當(dāng)然還有中國(guó)的全球研究者共同匯報(bào)了無(wú)數(shù)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果。這一結(jié)果支持了早已有之的猜想：宇宙沉浸在引力波的背景之中，每一個(gè)地方都有久遠(yuǎn)的低頻引力波在震蕩。

打個(gè)比方說(shuō)：地球像一艘小船，漂泊在宇宙引力波的汪洋大海里，之前幾年我們探測(cè)到了船體的震動(dòng)，證明這大海里存在波浪。但現(xiàn)在我們終于能探出頭來(lái)望向大海，親眼看到了遍布海面的浪花。

星云和脈沖星的太空景觀。圖庫(kù)版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛

不過(guò)這也帶來(lái)了眾多新的問題，比如說(shuō)， 我們并不確定這些低頻引力波來(lái)自于什么事件。這也沒辦法，宇宙里奇怪的東西太多了。兩個(gè)超巨大黑洞的碰撞看起來(lái)是最可能的原因，但還有很多其他可能的原因。也許是宇宙膨脹時(shí)的波紋？也許是早期宇宙相變留下的痕跡？也許是空間里的缺陷網(wǎng)絡(luò)？關(guān)于宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)我們還有很多不知道的東西。但也正因此，觀察低頻引力波背景才是這么刺激的一件事：它給很多未知的宇宙事件打開了大門。

此外，這些結(jié)果的質(zhì)量并沒有都抵達(dá)物理學(xué)的“金標(biāo)準(zhǔn)”。現(xiàn)代物理學(xué)的慣例要求一個(gè)結(jié)果要抵達(dá)“5σ”——也就是一種新現(xiàn)象純屬巧合的概率低于百萬(wàn)分之一——才能當(dāng)作“實(shí)錘”來(lái)看待。本次發(fā)表的結(jié)果并沒有都滿足這一要求。

以最嚴(yán)格的措辭而言，應(yīng)該說(shuō)本次發(fā)現(xiàn)“找到了符合引力波背景的證據(jù)”而不是“探測(cè)到了引力波背景”。但是，更多的探測(cè)和數(shù)據(jù)分析還在進(jìn)行中，大多數(shù)人都相信這個(gè)方法很快就能獲得無(wú)可辯駁的5σ級(jí)別證據(jù)。

和宇宙相比，人類的感官所能覆蓋的范圍實(shí)在太過(guò)渺小。百萬(wàn)年前一個(gè)人仰望星空時(shí)看到的或許超越了全部的人類體驗(yàn)，但放在整個(gè)物質(zhì)世界里，他的所見連滄海一粟都不如。后來(lái)，人類發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡、無(wú)線電、光譜儀，宇宙的側(cè)面被一一揭開，但總有更多的秘密隱藏在人類感知不到的黑暗里。引力波的探測(cè)是百萬(wàn)年來(lái)無(wú)數(shù)新開啟大門里最新的一扇，而引力波背景，則是它最新的里程碑。

路，還在延續(xù)。

作者：范崗 演化生物學(xué)博士生

審核：余恒 北京師范大學(xué)天文系副教授

策劃編輯：徐來(lái)

責(zé)任編輯：徐來(lái)

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