互动科普

科学世界：您提到宇宙早期的原初引力波，我们如何观察它？

吴岳良：原初引力波原则上在所有的频率都有，分布于整个宇宙。但是能够产生较大观测效应的频率目前来说是超低频的那部分，可以通过微波背景辐射去观察它对那时电磁波的所谓B模偏振的影响。这个影响在不同的理论模型中是不一样的，普朗克卫星的观测对其做出了一些限制。我国也计划在阿里天文台对此进行观测。另外还可能在空间引力波探测的1赫兹的频段对原初引力波进行观察。

科学世界：对于频率在原初引力波和空间观测的引力波之间的引力波如何进行观测？

吴岳良：对于纳赫兹的引力波，可以通过毫秒脉冲星定时来观测。脉冲星相当于宇宙中的原子钟，定时非常准。当地球受到引力波影响以后有一个扰动，那地面接收到的脉冲星的时间就要改变，从中可以推断出引力波的信息。这一般观测的是10亿太阳质量以上的超大质量黑洞，在星系形成与合并的情况下可能产生信号。

科学世界：如果双致密星系统由一个脉冲星跟一个黑洞构成的话，我们能否看到一个脉冲信号和一个引力波信号？

吴岳良：这是另外一种，我们在空间引力波探测里面也叫大质量比绕转系统，两个星体有一个比较大的质量比，主要是一个绕另外一个转。这种情况下，频率由绕转的频率决定。至于同时看到两个信号，也就是脉冲星自转产生的脉冲信号和绕黑洞公转产生的引力波信号，当然不排除这样的情况。

胡文瑞：现在希望在不同的波段看到同样天体的现象，包括引力波，或者其他的高能辐射，可是还都没看到。仅是引力波，也就是aLIGO看见的一次。

吴岳良：当然还有这种可能，中子星自身就是不对称的，又有很大的转动，也能够发出可被探测的引力波。这个与它的尺度和不对称性有关系。探测引力波就是要去了解有没有这样的天体，寻找现在还不知道的答案。

图：太极计划和eLISA计划设想图

科学世界：黑洞并和产生的引力波受黑洞自旋的影响吗？

吴岳良：对，黑洞除了绕转，还有自己的自旋。有自旋的黑洞和不自旋的黑洞，是可以区分的。地面上测量是比较难了一点，将来空间的探测能够更进一步，同时测出黑洞的质量和自旋，这样多一个信息，可以判断这个黑洞的情况。需要强调的是，不是自旋产生引力波信号，它是黑洞并合以后产生的引力波，带有它自旋的信息，你可以从中了解它是怎么样自旋的。

科学世界：引力波的探测能用来验证高维空间吗？

吴岳良：这个问题我现在正在研究。在爱因斯坦广义相对论或者以此推广的其他理论里面，不需要高维空间的假设。高维空间的理论仍然需要实验来检验提炼，但难度很大。将来我们的空间引力波实验站的测量精度如能达到较高的水平，可以验证相较广义相对论的偏离是多少，是否需要引入新的假设。

科学世界：通过观察黑洞的引力波的信息，我们还可以知道些什么？

吴岳良：我们可见的重子物质构成的黑洞，一般来说不会很大。所以星系中心的黑洞，是否可能是暗物质本身相互作用以后形成的黑洞？因为暗物质在宇宙空间中占有27%的质量，一个暗物质云很大，里边的中心物质可能就会形成黑洞。这里需要解决的问题就是，过去认为暗物质云的角动量太大、离心率也太大，在中间可能不会形成很致密的黑洞。但是过去的角动量守恒，都是在同一个空间来定义的。在强引力场下，原来定义的角动量守恒不成立，需要把引力效应放进去。这样就要重新考虑是不是由暗物质形成了黑洞，是不是跟星系一起形成的。所以这个也是空间引力波探测将来可能会告诉我们的。此外，我们还可以研究中等质量黑洞作为超大质量黑洞的种子黑洞是怎么成长的。引力波可以帮助我们真正了解黑洞的特性。

科学世界：暗能量也有引力效应，和引力波有关吗？

吴岳良：暗能量是另外一个概念，它不同于暗物质。暗能量在宇宙早期的时候，占宇宙的组分比暗物质要小得多，可以忽略不计。在整个宇宙膨胀以后，别的物质的密度变小了，所以暗能量的密度显示出来，现在反而是暗能量占68%了。那么这个暗能量是什么呢？它最简单的解释是一个所谓的宇宙常数，它是不变的，还有一种可能它不是常数，也是另外一种场。不过它这个场可能是一个慢变的物质场，它的波长是在宇宙尺度的大小，来提供一个背景的暗能量。那么，因为暗能量也是通过引力效应发现的，原则上有了引力波以后，若通过引力波观测到它，它就不再是暗的了。原来所谓“暗”是因为它们不能直接产生电磁波信号，然而又不能通过引力波看到它们。这个引力效应按照牛顿的万有引力是超距作用，所以在这个意义上说它们真是“暗”得看不到。但是有了引力波探测以后，它们的特性可通过引力波这个信息传递出来，我们就有可能听到暗能量、暗物质的“声音”。

（本文发表于《科学世界》2016年第5期）