聆听五音俱全的引力波宇宙 | ③空间引力波探测

想要听更低频的“声音”，光靠地面上的“耳朵”是远远不够的，于是人们想到把激光干涉仪发到天上去，天上的噪声会更少一些，尺度也可以做的更大。

图：LISA艺术想象图（Credit:LISA-Wikipedia）

计划中的天基引力波探测器主要有欧空局主导的激光干涉空间天线(LISA)，日本的分赫兹干涉引力波天文台(DECIGO、B-DECIGO)，欧洲的大爆炸观测者(Big Bang Observer; BBO)和先进激光干涉天线(ALIA)以及中国的“太极”计划和“天琴”计划等等。

其中，先进激光干涉天线ALIA、分赫兹干涉引力波天文台DECIGO（B-DECIGO)、大爆炸观测者BBO的臂长较短，探测的频率范围大约可以覆盖到0.1-10Hz的中频波段，能填补激光干涉空间天线LISA与LIGO敏感频段之间的间隙，其余探测器的灵敏波段与LISA类似，主要为万分之一到1Hz的低频波段。

天基干涉仪的结构都基本类似，它们一般由三颗卫星组成一个稳定的等边三角形编队沿着测地线轨道飞行，三颗卫星两两之间都会向对方发射并接收对方发射过来的激光，然后它们之间相互干涉，组成一架三角形的干涉仪。不同的探测器的飞行的轨道与干涉仪的边长会有所不同。当引力波经过干涉仪时，干涉仪的臂长发生变化，干涉仪能精确地测量出这一变化，据此可以探测到引力波。

这些探测器除“天琴”外，都运行在与地球类似的太阳轨道上。“太极”的边长最长，是300万公里，LISA的边长是250万公里，ALIA的边长是50万公里，BBO的边长是5万公里，DECIGO的边长则只有1000公里。“天琴”的卫星运行在10万公里高的地球轨道上，边长约17万公里。

LISA探路者实验于2015年发射并获得了极大的成功。中国的“太极”计划的“太极一号”卫星于2019年8月发射升空，成功地验证了多项空间引力波探测相关技术。“天琴”计划的“天琴一号”卫星于2019年年底成功发射。这些先期验证实验的成功大大地增进了大家对空间引力波探测计划的信心。

天基引力波探测器可以探测恒星级质量的致密双星（包括黑洞、中子星、白矮星以及它们的两两组合）的旋近，双白矮星的并合，超大质量双黑洞的并合，极端质量比旋进(通常是一个恒星级致密天体绕着一个超大质量黑洞的旋进），宇宙中可能存在的中等质量双黑洞以及前面这些源的信号叠加形成的引力波背景。

由于天基引力波探测器在致密双星并合之前很早的旋近阶段，就可以探测到它们。结合多个波段的引力波探测，有望对致密双星并合信号进行提前预警，预测它们会在何时并合，从而让地基的探测器以及电磁波的望远镜可以提前做好准备，有目标地探测。同时结合多波段、多信使观测，使得我们能获知天体更全面的信息。

超大质量双黑洞并合的探测可以帮助我们理解它们的形成演化以及它们与星系演化之间的协同关系；极端质量比旋进旋转的周期数多，可以帮助精确测量黑洞的度规、检验黑洞的理论、验证广义相对论和甄别替代的引力理论，甚至是发现超越广义相对论的时空引力理论等等。

除了人造的“耳朵”之外，我们还可以利用宇宙中的天然的引力波探测器——脉冲星计时阵(pulsar timing array; PTA)来“听”约在十亿分之一赫兹至百万分之一赫兹的甚低频引力波。

图：脉冲星艺术想象图（Credit: NASA）

脉冲星是快速旋转的中子星，同时它们还带有较强的偶极磁场（类似于地球磁场），沿着磁轴方向或者说磁场的两极方向（好比地球磁场的两极）会产生射电辐射。

一般而言，脉冲星的磁轴与自转轴是不重合的，随着脉冲星的自转，它产生的射电辐射束有可能扫过地球。每当射电辐射束扫过地球时，地球上的射电望远镜就会收到一个射电脉冲。在没有任何噪声或干扰的理想情况下，射电望远镜会接收到一系列间隔相等的脉冲。

周期约为毫秒级的脉冲星称之为毫秒脉冲星，它们脉冲的周期就相当稳定，几乎是宇宙中最稳定的天然时钟，周期变化率仅为10-20量级，完全可以忽略不计。因此它们产生的脉冲信号的到达时间也是可以被准确预测的。

而当引力波从毫秒脉冲星与地球之间穿过时，引力波会使地球与脉冲星之间的距离发生微小的变化，使得来自脉冲星的脉冲传播至地球的到达时间也会发生细微的变化。通过观测脉冲到达的时间变化，也就能来探测引力波信号。同时监测很多颗稳定毫秒脉冲星的脉冲到达时间及其变化，就可以准确地测量引力波，这就是所谓的脉冲星计时阵测引力波。

当然引起脉冲到达时间变化的原因可能不只是引力波，还有许多噪声会影响脉冲的到达时间。不过所幸的是，不同的噪声对不同的脉冲星影响不同，比如有的噪声只存在于部分脉冲星的信号里，有的噪声在不同脉冲星信号里遵循一定的变化规律，而引力波信号则会以特定的模式影响到每一颗脉冲星的脉冲信号到达时间。因此我们就需要通过对多颗脉冲星信号的到达时间的长期监测，来鉴别哪些是噪声，哪些是真正的信号。

这些脉冲星就形成一个阵列，称之为“脉冲星计时阵”，它的“臂长”可以达到几千至几万光年，用于探测甚低频引力波。

图：PTA艺术想象图（Credit:David Champion）

这里值得重点指出的是“脉冲星计时阵”中的“阵”指的是脉冲星的阵列，而并非是射电望远镜阵列。原则上来讲，哪怕只要有一台像“天眼”FAST这样大口径、高灵敏度的射电望远镜，对多颗脉冲星进行监测，也是可以做脉冲星计时阵测量的。不过实际观测上，当然是大口径的射电望远镜越多越好，这样不仅能同时监测多颗脉冲星，也能补充其它望远镜观测不到的脉冲星。

现在的PTA有澳大利亚的帕克斯脉冲星计时阵(PPTA)，欧洲脉冲星计时阵(EPTA)，北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)。他们观测了十多年，目前还没观测到引力波信号，但限制了引力波背景信号应小于10-15量级。为了更加充分地利用数据，提高灵敏度，三大脉冲星计时阵列的数据被结合到一起，形成了国际脉冲星计时阵(IPTA)。

我国的“天眼”（FAST）结合其它40-60米射电望远镜，已经初步成立了中国脉冲星计时阵探测计划。未来将要建设的新疆奇台110米口径的射电望远镜等，也将脉冲星计时阵探测引力波作为它的主要科学目标。另外，低频引力波探测也是我国参与的国际平方公里阵（SKA）的主要科学目标之一。

PTA可以用来探测星系中心的超大质量双黑洞旋近产生的连续引力波信号，以及来自宇宙中无数超大质量双黑洞的引力波叠加形成的随机背景信号，宇宙早期相变中的拓扑缺陷信号等等。拓扑缺陷会产生宇宙弦，宇宙弦就好比是宇宙中的“琴弦”，“琴弦”的断裂会产生较强的引力波。

有趣的一点是，脉冲星计时阵列PTA还可以探测引力波的“记忆效应”。通常双黑洞并合后，引力波的应变降为零，也就消失了，但“记忆效应”说的就是，双黑洞并合后，引力波信号虽然恢复平静，却是一个不为零的值。

频率低于10^-14Hz的极低频引力波，就几乎只有来自早期宇宙的原初引力波了。这种引力波来自于宇宙早期暴胀过程中由量子物理产生的张量型扰动。

原则上来讲，宇宙的原初引力波其实是在各个频率段都有分布的。但是较高频段的引力波的能量密度太低，计划中的空间引力波探测器直接探测到原初引力波的希望不大，但可能会获得上限限制。在极低频段原初引力波的能量密度相对较高，所以目前人们对原初引力波的探测主要从极低频开始着手的，也就是从宇宙微波背景辐射(CMB)的偏振中去寻找它的踪迹。

宇宙微波背景辐射是宇宙早期遗留下来的热辐射，随着宇宙的膨胀，至今已经红移到了微波波段。背景辐射光子与电子的散射是产生背景辐射偏振的主要原因。

宇宙微波背景辐射的偏振是可以分解为两种模式，一种叫做E模式，另一种叫做B模式。E模偏振是无旋的，好比电场一样，而B模偏振是有旋的，就好比磁场一样。不过在基本均匀的背景辐射光子中，要产生B模式偏振，仅有光子与电子的散射是不够的，还要求被散射的光必须是各向异性的，带有非零的四极矩。当原初引力波经过电子时，使得电子附近的时空发生变形，入射光就能产生非零的四极矩，被散射后的宇宙微波背景辐射（CMB）光子就能拥有了B模偏振。

图：CMB的E模与B模偏振示意图

从宇宙微波背景辐射的偏振测量中寻找原初引力波的实验主要有空间的普朗克(Planck)卫星、宇宙泛星系偏振背景成像(BICEP)实验等。

这里还有个有趣的故事，美国的BICEP团队曾经于2014年宣布探测到了来自宇宙早期的原初引力波所形成的B模偏振，以为自己率先探测到了“引力波”。可是没过多久，等普朗克卫星观测的CMB的数据发布之后，人们发现BICEP团队探测到的信号很可能是来自银河系尘埃辐射造成的偏振，原来是“空欢喜一场”。

我国也提出了自己的“阿里”计划来探测原初引力波，选址于西藏阿里天文台。研究表明，西藏阿里很可能是目前北半球最佳的CMB观测台址。目前“阿里”计划正在紧张的建设过程中，预计很快就要开展观测，有望获得北半球宇宙微波背景辐射的B模偏振观测和限制。

原初引力波的探测可以帮助人们找到更准确的宇宙学模型，特别是描述宇宙早期阶段的暴胀模型，深化人们对宇宙的创生和大尺度结构种子形成的理解，并为回答“宇宙是从哪里来”这一宏大问题提供新的数据支持。

《聆听五音俱全的引力波宇宙》结束语

除了我们前面介绍的常见的多个波段的引力波探测外，人们还提出利用类星体的天体测量学探测超低频的引力波，用波导、小型激光干涉仪等探测甚高频的引力波，还有人提出一系列宏伟的引力波探测计划，建造更加庞大更加灵敏的“耳朵”，比如发射航天器到木星绕太阳运动的轨道上甚至更远编队组成引力波探测器。一旦这些组合起来，人类也就几乎有能力覆盖引力波全波段的探测。

以前我们只能通过电磁波“看”这个五彩斑斓的宇宙，却很少通过引力波来“听”这个五音俱全的时空。我们完全有理由相信在不远的将来，引力波的探测也会迎来像今日的电磁波探测一样繁荣而常态化的景象。

我们会发现，自从宇宙创生的初啼起，经过基本粒子的形成，第一代恒星和黑洞的产生，星系和它们中心超大质量黑洞的形成和演化，直至今日，宇宙中无时无刻不在上演着激动人心的引力波“交响乐”。我们的听天巨“耳”对引力波的侦听将会“无远弗届”、“巨细靡遗”，我们对宇宙本质的认识必将会发生质的飞跃！

感谢大家的聆听，我是国家天文台陆由俊。