互动科普

100年前，广义相对论在理论上预言了引力波的存在。历经一个世纪的探索，人类终于第一次直接探测到了引力波。这一里程碑式的发现到底具有怎样的意义？

在宇宙空间里，只有有限的天体才能发出可以被现代技术探测到的强大的引力波。美国的引力波探测器LIGO探测到的双黑洞及其并合就是最具代表性的一个例子。

同样，双中子星也能发射引力波。中子星是几乎全部由中子组成的天体。中子是组成原子核的要素之一，是呈电中性的粒子。中子星的半径只有10公里左右，其质量却与太阳不相上下，密度极大，每立方厘米的质量令人震惊地高达10亿吨。

由两个中子星或两个黑洞构成的双星通过相互绕转而不断辐射引力波。引力波的辐射会从双星带走一些能量，因此，双星会以引力波的形式损失能量而慢慢靠近，最终碰撞合并在一起。不过，在即将并合之前会释放出强大的引力波。

天文观测间接证实了引力波的存在

其实，在LIGO直接探测到引力波之前，科学家也观测到了引力波导致双中子星损失能量而逐渐靠近的现象。1974年，美国物理学家拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒利用设置在加勒比海波多黎各的阿雷西博射电望远镜（直径约300米），成功发现了一颗编号为PSR 1913+16的双中子星，并因这项工作于1993年荣获诺贝尔物理学奖。

通过长期观测，两位科学家发现该双子星的公转周期以每年76微秒的速度（1微秒是100万分之1秒）在逐渐变短，这意味着它们在慢慢地靠近。该观测结果与根据广义相对论预言的“引力波导致能量损失”进行计算的结果非常一致，这间接证明了引力波的存在。

由于双中子星的观测间接证实了引力波的存在，因此，引力波的研究主要集中在双中子星上。从某种意义上来说，这次LIGO探测到的两个黑洞并合所产生的引力波是“意料之外”的惊喜。尽管科学家还不清楚双黑洞是以怎样的概率并合的，不过，今后通过探测引力波，或许可以观测到更多的双黑洞及其并合。

日本的引力波望远镜“神乐”将于近期正式启动

迄今为止，多个国家都投入巨资建造了引力波探测器，试图发现引力波的神秘踪迹。日本在位于东京都三鹰市的国立天文台内设置了“TAMA300”，于1999年开始探测引力波。TAMA300的激光往返奔跑的反射镜之间的距离，也就是激光干涉仪的干涉臂的长度为300米，不到LIGO干涉臂（4公里）长度的1/10。

我们生活的银河系呈圆盘形，直径约10万光年。当银河系内发生双中子星合并的现象时，TAMA300的灵敏度足以捕获到其合并所产生的引力波。不过，这种现象在银河系内每一万年才会出现一次，只有在运气足够好的情况下才能观测到，否则很难观测到。

因此，日本计划进一步提高探测器的灵敏度，以探测7亿光年之内所产生的引力波为目标，在岐阜县的神冈矿山地下建造大型低温引力波望远镜“神乐”（KAGRA）。神乐的激光干涉仪的干涉臂长度与LIGO的规模相当，长3公里。在神乐要观测的7亿光年的范围内，大约有20万个星系，每年有大约20次机会观测中子星合并时所形成的引力波。

引力波导致的空间伸缩因产生引力波的天文现象以及与地球之间的距离而异，不过，总体上来说，是极其微小的。例如，在太阳到地球这么长的距离内，一般引力波导致的空间伸缩只有一个原子那么大。神乐每秒钟可以捕捉到100次左右导致空间在如此微小的幅度内伸缩的引力波（频率为100赫兹的引力波）。这个频率与LIGO探测到的两个黑洞合并所产生的引力波的波长范围重叠。

神乐项目负责人、日本东京大学宇宙射线研究所所长梶田隆章教授在LIGO探测到引力波后举办的记者发布会上表示：“神乐建造在地下，配备有低温反射镜，非常适合探测100赫兹以下的引力波。黑洞合体伴随的引力波接近这一波长范围，所以我们希望结合神乐的特点，首先探测这种引力波。”神乐的一期实验设施在2015年11月已经基本完成，目前正在进行试运行和进一步调整，将在2017年启动正式探测。

确定引力波的发射源，全球性合作必不可少

实际上，欧洲也建造了引力波探测器，其激光干涉仪的干涉臂长度完全可以与LIGO（4公里）和神乐（3公里）相媲美，这就是意大利亚的VIRGO（法国与意大利等的联合计划）。目前，VIRGO正在进行升级改造，升级后将以更高的灵敏度来探测引力波。

仅仅用一台激光干涉仪探测引力波的话，我们很难确定引力波到底来自哪里。LIGO根据设置在两地的引力波探测器探测到引力波的微乎其微的时间差异，确定了发射引力波的天体位置。不过，要想准确地找到发射引力波的天体位置，则需要在至少3个以上的地点探测引力波。因此，不管是LIGO还是神乐，抑或VIRGO，都必须利用设置在全球各地的引力波探测器同时进行探测，这对今后的引力波探测必不可少。

图1. 世界各国正在构建引力波探测网

目前，全球共有3个引力波探测站正在运行。德国的GEO600（英国与德国的联合计划）的干涉臂长度为600米。神乐正在建设之中，VIRGO正在升级改造，以提高灵敏度。此外，印度也计划建造新的引力波探测站（干涉臂长度预定为4公里）。

（本文发表于《科学世界》2016年第4期）