□ 阿爾伯特?愛因斯坦研究所、清華大學 胡一鳴

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引力波，探測到了！

□ 阿爾伯特?愛因斯坦研究所、清華大學 胡一鳴

北京時間2015年9月14日17點50分45秒，激光干涉引力波觀測臺（LIGO）有史以來第一次直接探測到引力波事件：GW150914。該引力波事件發(fā)生于距離地球十幾億光年之外，兩個分別為36倍和29倍太陽質量的黑洞，并合為一個62倍太陽質量黑洞。人類對宇宙的探索，由此進入一個新紀元。

圖1 兩個黑洞并正合成一個的示意圖。圖片來源：The SXS (Si m ul at i ng eXt rem e Spacet i m es) Proj ect

400多年前，伽利略第一次把望遠鏡對向了天空。從此，透過望遠鏡，天文學家做出了一個個發(fā)現(xiàn)，并不斷地革新著人類對于宇宙的認識：月球環(huán)形山的發(fā)現(xiàn)說明了天體并不完美；木星衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)說明了它不可能運行在“水晶殼層”上；三角視差的測定說明了宇宙遠比太陽系大；哈勃對 M31中造父變星的觀測又證明天外有天，銀河系外還有星系……

圖2 不同波段下的銀河系，呈現(xiàn)出完全不同的面貌，也讓天文學家獲得了截然不同的信息。圖片來源：ht t p://adc.gsf c.nasa.gov/m w

400年過去了，天文學家用的望遠鏡早已今非昔比，也許讀著這篇文章的你手里頭就有一臺天文望遠鏡，性能或許不遜于伽利略當年的望遠鏡。技術的進步惠及一代代天文學家：哈雷用肉眼觀測，手繪出觀測記錄；哈勃時代，照相術的發(fā)明讓天文學家能看見更暗的目標；半導體的突飛猛進成就了電子相機，造福了你我，也大大提高了天文學家的觀測效率。新的技術，不光讓天文學家看得更暗，看得更遠，也真真實實地讓天文學家“開闊了眼界”——肉眼能看到的只有可見光，而同屬于電磁波的γ射線、X射線、紫外光、紅外光、微波和無線電波對于肉眼來說是完全透明的。但是，聰明的科學家們總是可以想出辦法，用儀器把這些電磁波的信息記錄下來，進而轉化成肉眼可見的圖片，最終呈現(xiàn)在各位讀者的面前。

這些全新的波段將天文學家的視線大大延伸。通過γ射線波段的觀測，人們發(fā)現(xiàn)了伽馬暴，它在一瞬間的亮度甚至超過了整個可觀測宇宙電磁輻射的總和。黑洞附近的吸積盤中的微粒高速摩擦，以X射線的形式被天文學家捕捉到。恒星誕生地的星云被塵埃遮擋，卻擋不住紅外望遠鏡的火眼金睛。射電天文學更是以類星體、中子星、宇宙微波背景輻射和星際有機分子四大發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了天文學研究的一干全新領域。可以說，每一個新觀測窗口的開啟，都給人們帶來了全新的知識。更為奇特的是，這些突破性的發(fā)現(xiàn)，往往是沒有預期的！

引力波，一個全新的窗口

雖然經過漫長的發(fā)展和技術進步，今天的天文學研究已經和以前大不相同，但是從本質上來說，觀測星空的天文學家，手里的工具是萬變不離其宗的——用越來越大的口徑接收光子，用越來越靈敏的探測器記錄來自天體的光子。

而去年，在愛因斯坦提出廣義相對論整整一個世紀的歷史性時刻，我們站在了一個新時代的起點：通過位于美國列文斯頓和漢福德的高新引力波探測器，人類捕捉到了時空的漣漪，用一種前所未有的方式看待這個世界。

回首100年前，那是很少有人能真正理解廣義相對論的時代，甚至愛因斯坦本人在一些問題上也犯下不少錯誤，最著名的例子就是宇宙學常數(shù)Λ了。廣義相對論的自然推論是，宇宙存在一個奇點，而在經歷長期的演化后，引力又將使宇宙塌縮。對這一結論非常不滿的愛因斯坦在場方程里面引入這一個常數(shù)項，也就是宇宙學常數(shù)，這是一個向外的力，以平衡引力的吸引作用，這樣就可以構建一個不穩(wěn)定平衡的宇宙。然而當哈勃用觀測事實向世人證明宇宙的確是在膨脹后，愛因斯坦感慨自己犯下了“一生最大的錯誤”。

關于引力波，愛因斯坦也曾搖擺不定：方程中的這一項，究竟只是一種數(shù)學游戲，還是一種物理實際？因為通過坐標變換，似乎是可以消除引力波的呀！愛因斯坦在接下來的幾年中，幾次修改自己的結論。廣義相對論的開山鼻祖尚且摸不著頭腦，別的科學家更是莫衷一是。引力波強度微弱且不論，在它是否存在都有爭議的情況下，任何嚴肅的探測引力波的努力都是很難讓人信服的。

這一情況直到1955年費曼在一次會議上提出了著名的“粘珠”思想實驗后，方才塵埃落定。費曼的論證是，想象一個珠子穿在一根柱子上并且可以自由移動，垂直于柱子方向如果有引力波經過將會產生相對于柱子中心的引潮力。而珠子在引潮力的作用下會相對柱子運動，如果有摩擦，就會產熱。有熱量就表示有能量，而這個能量的來源又只可能是引力波，所以引力波必然攜帶能量，這也就意味著，引力波不僅僅是好玩的數(shù)學游戲，更必定有其更深層次的物理對應。

圖3：“粘珠”思想實驗示意圖。圖片來源：https://w ritescience.files.w ordpress.com/2015/04/st i ckybeads.j pg

第一波探測浪潮

引力波很弱。

愛因斯坦也許犯過不少錯誤，不過這一點他至少沒錯：引力波真的很弱。

和電磁波相比，引力實在是很弱的力，表征引力強度的引力常數(shù)G比起表征電磁力強度的精細結構常數(shù)要小上好幾個數(shù)量級。而且引力波實在是“懶”得很，很少與物質有作用。即使在引力波傳播的路徑上堆積400萬億光年的番茄醬，也只能把引力波能量的1%吸收掉。人類現(xiàn)在最靈敏的儀器可以測量四千米距離上原子核大小十萬分之一的位置變化，而這也僅僅能勉強探測幾億光年以外的兩個致密天體（如中子星或者黑洞）并合所產生的引力波，但是如果同樣大小的能量是以電磁波形式傳播的話，也仍比滿月更耀眼！

一旦確定了引力波是真實存在，而非坐標變化下的產物，人們對引力波測量的熱情就被激發(fā)了起來。第一次對引力波信號探測的嘗試，就其實質而言和粘珠思想實驗并沒有什么差別。以馬里蘭大學的約瑟夫?韋伯為代表的實驗學家很快就開始動手，建造起一個直徑一米，長度兩米的鋁制圓柱體。當引力波經過圓柱體時，引力波會迫使圓柱在不同的方向上不斷地拉伸、壓縮。這會在圓柱體內產生微弱的壓力，而通過精密的壓電感應器，就可以把這個壓力改變靈敏地測量出來。更為巧妙的是，如果引力波的頻率恰好和圓柱體本身的特征頻率相符，會引起共振，從而可以進一步測量微弱得多的信號。

1969年，韋伯發(fā)表論文宣稱他探測到了引力波信號，稍后，他報告了更多的探測結果。這個消息立刻引發(fā)了一大票科學家的熱議，許多人也開始搭建起了自己的共振棒探測器，試圖重復韋伯的實驗。然而，70年代的大量觀測顯示，即使比韋伯更精密的儀器，在排除噪音干擾以后，連一個引力波事件都沒有探測到。這表明，韋伯之前的所謂觀測結果，很有可能只是來自地面的噪聲。

雖然韋伯的發(fā)現(xiàn)在隨后引來了一系列的質疑，缺乏實際的探測結果也讓人們無比沮喪，但對于引力波的熱情已經點燃。從韋伯的教訓中，我們也學到了重要的一課，這就是明白數(shù)據(jù)處理在這個領域中的重要性。當下引力波研究的先驅者LIGO科學合作組織中，有近半數(shù)的科學家和科研投入是和數(shù)據(jù)處理息息相關的。

激光干涉

韋伯的工作也吸引了不同領域背景的科學家，關于引力波探測，各種有趣的想法也開始涌現(xiàn)。在麻省理工學院開設光學相關課程的萊納?魏斯心血來潮，提出了用激光干涉的方法測量引力波，并且把這個問題拋給他的學生，作為課堂作業(yè)。隨后，這一方法被總結，發(fā)表在了沒有太多關注度的內部期刊上。言者無意，聞者有心，加州理工的著名科學家基普?索恩（同時也是《星際穿越》的科學顧問）關注到了這個新的方法。一開始他的評價非常悲觀，在他編寫的教科書中甚至有一個題目是讓讀者證明激光測量是無法測量引力波的。

幸運的是，不久之后，基普開始重新審視這個問題，并且開始意識到這是一個可行的方法。90年代，由加州理工和麻省理工合作主導的激光干涉引力波觀測臺（LIGO）正式開工建設。在升級了許多新技術以后，更新的高新激光干涉引力波天文臺（aLIGO）于去年正式投入運行。

多波段引力波

圖4 不同波段下探測引力波的方法及對應的波源。

受限于地球上的諸多噪聲，LIGO對于頻率低于10赫茲的引力波愛莫能助。相應的，就有人提出將激光干涉的方法搬到天上去。遠離了地球，增加了干涉臂的長度，位于空間的太空激光干涉儀（LISA）的想法應運而生。然而，命運多舛的LISA由于經費不足，遲遲等不到發(fā)射的來星系中的雙白矮星臨。空間引力波探測的想法吸引了不少關注，其中也有中國科學家活躍的身影。由羅俊院士倡議的天琴計劃就希望發(fā)射三顆地球軌道的衛(wèi)星，在衛(wèi)星與衛(wèi)星之間形成激光干涉，從而測量引力波信號。與此同時，中國科學院也成立了胡文瑞院士、吳岳良院士為首席科學家的空間太極(Taiji)計劃工作組，同樣計劃發(fā)展空間引力波探測項目。

圖5 BI C EP2團隊測量的微波背景輻射的B模式偏振。圖片來源： ki pac.st anf ord.edu

除了激光干涉以外，腦洞大開的天文學家們還把目光投向了脈沖星。脈沖星的精確計時讓瑞士鐘表相形見絀，當引力波穿越地球和脈沖星之間時，會影響脈沖信號的計時信號。通過測量多個脈沖星的計時數(shù)據(jù)，天文學家可以等效把整個銀河系當成一個巨大的引力波探測器，測量引力波。當然，其探測的信號頻率就要低得多，它能探測到的引力波波長甚至可以達到光年的尺度。

宇宙暴脹時期產生的原初引力波，可以通過研究宇宙微波背景輻射的偏振模式得到。在大爆炸過后的極短時間內，暴脹將極小尺度內的量子真空漲落放大到宇宙學尺度，并產生引力波輻射。這種極低頻的原初引力波也影響著宇宙極早期的微波背景輻射，通過識別引力波特有的偏振模式，微波背景輻射的探測有望探測到來自宇宙創(chuàng)生時的第一聲啼哭。2013年，一個名叫 BICEP2的團隊宣稱他們在南極的微波望遠鏡揭示了原初引力波的存在證據(jù)?？上У氖?，后續(xù)的研究表明他們的觀測只是由于星際塵埃引起的噪音。

大犬事件——LIGO很嚴肅

在科學探索的道路上，永遠充滿著荊棘。即使智慧如愛因斯坦也不免犯錯，霍金在科學上的打賭更幾乎逢賭必輸。在整整一個世紀的探索引力波的道路上，科學家們經歷了許多波折，也因此更加謹慎。作為一個擁有近千名科學家的大型合作組織，LIGO科學合作組織對待自己的數(shù)據(jù)非常謹慎，有些人甚至認為太過謹慎了。由于引力波探測的獨特性，一旦LIGO宣布引力波的探測結果，將沒有任何辦法檢驗這一論斷，所以LIGO科學合作組織需要絞盡腦汁，以便將來一旦發(fā)現(xiàn)引力波信號時可以對信號的真實性有足夠的自信。

圖6 LI G O科學合作組織（LSC）的成員單位一覽

2010年，還沒有升級的LIGO進行了第六次科學運行，同時，位于意大利的室女座引力波探測器（VIRGO）進行了第二及第三次科學運行。在LIGO和VIRGO的聯(lián)合觀測前，事先確定了一個三個人組成的秘密小組，他們有可能會在數(shù)據(jù)中人為地注入信號，其他成員都無從知曉這一過程的具體信息，所以稱之為盲注。2010年9月16日，LIGO和VIRGO同時探測到一個信號，方向大概來自大犬座，所以代號為“大犬事件”。這一令人激動的信息立刻讓LIGO科學合作組織沸騰了。經過大量的研究工作之后，科學家們準備好了用以發(fā)表的論文和發(fā)表的新聞稿。然而負責盲注的三人小組這時揭曉謎底：這個信號的確是他們放的。

圖7 大犬事件在兩個探測器上的數(shù)據(jù)。圖片來源：l i go.org

應該說，這個過程中消耗了大量科研人員的精力和時間，也讓所有的成員都空歡喜一場。然而，正是本著嚴謹小心的態(tài)度，才意味著當LIGO向世人宣布探測結果的那一天會自信滿滿，也盡可能避免出現(xiàn)烏龍。

GW150914引力波事件

北京時間2016年2月11日23:40左右，LIGO負責人、加州理工學院教授大衛(wèi)?賴茨（David Reitze）用激動的嗓音宣布,“我們發(fā)現(xiàn)了引力波！我們做到了！”

基于觀測到的信號，LIGO的科學家們估算出這是兩個并合的黑洞，兩者的質量大約分別是太陽質量的29倍和36倍，并合發(fā)生于13億年前。大約3倍于太陽質量的物質在少于1秒之內被轉化成引力波，其功率峰值是整個可見宇宙總功率的50倍。這一引力波首先到達位于列文斯頓的探測器，7毫秒之后到達位于漢福德的探測器，這意味著引力波源位于南半球天區(qū)。

圖8 LI G O漢福德(H 1,左)和列文斯頓(L1,右)探測器所觀測到的G W 150914引力波事件。該圖展示了在兩個LIG O探測器中觀測到的由該事件產生的引力波“應變”如何隨時間(秒)和頻率(赫茲)變化。兩圖均顯示了G W 150914的頻率在0.2秒內從35赫茲迅速增加到150赫茲。G W 150914先到達L1,隨后到達H 1,前后相差七毫秒,該時間差與光或者引力波在兩個探測器之間傳播的時間一致。圖片來源： LSC/Vi rgo C ol l aborat i on

圖9 G W 150914的觀測數(shù)據(jù)以及對應的旋進(i nspi ral)、并合(m erger)、鈴宕(ringdow n)三個過程的示意圖。圖片來源：LS C/V i rgo C ol l aborat i on

根據(jù)廣義相對論，一對黑洞在相互繞轉過程中會通過引力波輻射而損失能量，逐漸靠近。這一過程可持續(xù)數(shù)十億年，并在最后幾分鐘里面急劇加速演化。在最后一秒鐘內，兩個黑洞幾乎是以一半光速的超高速度碰撞在一起，并形成了一個質量更大的黑洞。根據(jù)愛因斯坦的質能方程 E= mc2，這個過程中一部分的質量轉化成了能量，而這些能量在最后時刻以引力波超強爆發(fā)的形式輻射出去。此次 LIGO觀測到的引力波信號就源自于這樣的過程。

這一次探測，對于我來說是在科研起點時就幸運地經歷了中頭彩，而對許多將畢生心血投入到這個領域的科學家而言是多年的學術夢想的實現(xiàn)。在新聞發(fā)布會上宣布探測的那一刻，許多人心潮澎湃，甚至潸然淚下。

我們是否確信GW150914是一個真實的天文事件?

一個字：是。當然,這個問題事實上非常重要，而LIGO科學合作組織和VIRGO組織的很多努力都是為了回答這個問題。為此進行的每一個獨立而全面的檢查，都給我們宣布GW150914的發(fā)現(xiàn)增添一分信心。

首先，如前所述，兩個LIGO探測器記錄的信號時間差與光穿梭于臺址間的時間吻合。

其次，由圖8可以看出來自漢福德與來自列文斯頓的信號有著十分相似的模式。由于兩個干涉儀的朝向近乎一致,這一點恰恰符合預期。同時，這個信號非常強,在噪聲的背景中“鶴立雞群”。我們的分析工作好比要在一個擁擠的大房間里從嘈雜的背景中辨析出一場對話一樣，所以理解背景噪聲變得至關重要。這也意味著我們需要監(jiān)測臺址附近海量的環(huán)境信息：地面運動、溫度變化、電網(wǎng)波動等等。與此同時，許多數(shù)據(jù)通道還實時監(jiān)測著干涉儀的狀態(tài)，比如檢查激光束正確地指向鏡子正中。如果這眾多的監(jiān)測通道中的任意一個出現(xiàn)異常，采集到的數(shù)據(jù)就會被舍棄。然而，在經歷了詳盡地研究和檢查后，該事件前后的數(shù)據(jù)都沒有發(fā)現(xiàn)質量問題。

圖10 對雙星并合信號的搜索定量地顯示了與噪聲起伏產生的背景相比,G W 150914是多么罕見。這一搜索可以斷定由噪聲偽裝成G W 150914是極端罕見的——少于每兩萬年一次——這一數(shù)值等同于高于五倍標準差的探測顯著性。圖片來源：LS C/V i rgo C ol l aborat i on

不過，又或許GW150914只是由于機緣巧合，湊巧在兩個臺址都出現(xiàn)了相似特征的噪聲擾動？要排除這種可能，我們需要計算這種情況到底得有多么湊巧，發(fā)生得越罕見，我們就越相信GW150914是真實的引力波事件。

圖10為展示了我們對探測器數(shù)據(jù)進行的這類統(tǒng)計分析結果。黑色和紫色的實線代表了不同的噪音背景：基于稍微不同的假設,兩條線展示了不同信號強度下模擬成信號的巧合噪音“事件”預期發(fā)生的數(shù)目。在這幅圖中，最關鍵的信息是GW150914距離黑色和紫色曲線非常遠，這意味著能夠偽裝成信號的噪聲極其罕見。事實上,對于GW150914這樣的事件，我們估計的誤警率低于每20萬年一次!這個誤警率可以轉換成一個sigma值，或者說標準差，用以估計統(tǒng)計分析中一個新發(fā)現(xiàn)的顯著程度。從圖10中可以看出，這一搜索可以在5個標準差以上的顯著水平確認GW150914是一個真實的信號。

為了完成這一統(tǒng)計分析，我們使用該數(shù)據(jù)后一個月內采集到的總時長為16天的穩(wěn)定、高質量的探測器數(shù)據(jù)。GW150914的確是兩個探測器在這段時間內探測到的最強的信號。接下來我們人為地在兩個探測器數(shù)據(jù)間引入一個時間平移，等效于構造出一個時間上長很多的數(shù)據(jù)，用以搜尋其中不弱于GW150914的巧合性信號。我們只采用大于10毫秒（光在兩個探測器間傳播所需的時間）的時間平移,這樣保證了人造數(shù)據(jù)中不含任何真實的信號。如此我們可以放心地使用這些數(shù)據(jù)來分析噪音的統(tǒng)計學波動，以便回答“偽造出一個像GW150914這樣的信號有多難”的問題。我們可以歸納得出一個“誤警率”，也就是說，統(tǒng)計上，噪音被錯誤地歸類為信號的頻率。

引力波天文學的明天

當我們實現(xiàn)了引力波探測后，會給天文學帶來什么呢？

首先，很多未解之謎可以一一解答，比如，伽馬暴的中心引擎究竟是什么？星系的并合是如何導致中心的超大質量黑洞的并合的？中子星內部極高密度的核子物質遵循的物理法則究竟如何？宇宙中的重元素是否由雙中子星并合貢獻？是否存在中等質量黑洞？這些現(xiàn)在困擾天文學家的問題，都將在引力波探測后得到回答。

其次，很多問題的解答需要引力波和電磁波的聯(lián)合觀測，而這又極富挑戰(zhàn)性：引力波的電磁對應體相對來說很暗，變化速度又很快，而引力波的數(shù)據(jù)處理給出空間定位的能力又十分糟糕。為此，就需要一系列望遠鏡加入合作，一起搜尋，包括凱克望遠鏡在內的許多望遠鏡都和LIGO科學合作組織簽署了君子協(xié)議，LIGO將提供保密的引力波信息，合作的望遠鏡將進行后續(xù)觀測并反饋給LIGO。值得欣喜的是，我國新疆天文臺的南山觀測站、預計不久之后發(fā)射的硬X射線調制望遠鏡、中法合作的伽馬衛(wèi)星SVOM及其配套的Mini-GWAC地面望遠鏡都已經簽訂了這個君子協(xié)議，而正在研究籌劃中的愛因斯坦探針也對與LIGO的合作抱有極大的興趣?？梢灶A見的是，我國的天文學家將在未來的引力波天文學的研究中起到不容小覷的作用。

然而，也許真正讓我這個引力波天文學的研究者夙夜難眠的，恰恰是未知的可能性。正如之前提到的，天文學上所有新的觀測途徑的開啟都會帶來天文學的蓬勃發(fā)展，隨之帶來意料之外的驚人發(fā)現(xiàn)，并極大地加深人類對這個宇宙的理解和認知。引力波天文學也不應該例外。我們站在引力波時代的黎明，不禁暢想，當我們可以持續(xù)不斷發(fā)現(xiàn)引力波事件之后，宇宙又會帶給我們怎樣的驚喜呢？

只有時間，能告訴我們答案。

后記

2015年9月14日引力波的發(fā)現(xiàn)是科學史上的里程碑。這一非凡的成就，凝聚了太多物理學家的心血，也是多少人魂牽夢縈的所在。我們有幸生在這個時代，見證物理學歷史的重大進程。對于我們這些親身參與其中的科研工作者而言，更是感到無比榮幸。

在LIGO科學合作組織中，也活躍著不少中國人的身影，其中包括大陸地區(qū)LIGO科學合作組織的唯一成員單位清華大學，利用GPU加速引力波暴數(shù)據(jù)分析和實現(xiàn)低延遲實時致密雙星并合信號的搜尋；采用機器學習方法加強引力波數(shù)據(jù)噪聲的分析；分析引力波事件顯著性的系統(tǒng)誤差等。此外清華大學還參與構建引力波數(shù)據(jù)計算基礎平臺，開發(fā)的數(shù)據(jù)分析軟件工具為LSC成員廣泛使用。

我們還要特別感謝對本文有幫助的幾位LSC年輕同行們：羅切斯特理工的張淵皞，西澳大學的王龑、朱興江和儲琪，墨爾本大學的孫翎，伯明翰大學的王夢瑤，格蘭薩索研究所的王剛，阿爾伯特·愛因斯坦研究所的明鏡等等。

圖11 LIG O的科學家們?yōu)榱藨c祝發(fā)現(xiàn)引力波這一重大事件，決定動手做個蛋糕吃。圖片來源：LIG O科學合作組織

而在雜志另一端的你，也處在一個幸運的時代，用你的電腦，一樣可以為引力波的搜索做貢獻！引力波的種類有很多，LIGO的科學目標除了探測來自致密雙星并合的信號外，也會搜索來自銀河系內的中子星的連續(xù)信號。這個搜索需要大量計算資源，哪怕用上LIGO自己的超級計算機也不夠，所以常年征求志愿者貢獻CPU時間，只需要登錄http://www.einsteinathome.org/，你就可以下載Einstein@Home的程序，用你電腦閑暇時間的空余CPU，處理來自LIGO的數(shù)據(jù)，搜索時空的漣漪！

圖12 Ei nst ei n@H om e網(wǎng)站l ogo

（責任編輯 馮）