中国天文学的后来居上：纳赫兹引力波探测

合集 · 解读科技问题 (79)

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其实，大多数人听到“纳赫兹”和“引力波”这两个词恐怕都是懵的，更不用说两者连在一块了。所以，我们首先来解释一下引力波。
	一个很好的出发点是电磁波，大家对电磁波都很熟悉，它是现代很多技术的基础，例如电话、雷达、卫星导航。电磁波是怎么产生的呢？根据麦克斯韦的电磁理论，任何电荷的变速运动都会产生电磁波，请注意是变速运动，匀速运动不行。电磁波以光速传播，传到哪里就让哪里产生振荡的电磁场。我们根据这种电磁场的电磁效应，就能探测电磁波。
	有了这个基础，就容易理解引力波了。根据爱因斯坦的广义相对论，任何有质量的物体的变速运动都会产生引力波，同样需要是变速运动，匀速运动不行（其实还有些条件，如这个物体不能是球对称的，不过这对我们当前的定性描述来说并不重要）。引力波同样是以光速传播，传到哪里就让哪里产生……产生什么呢？
	广义相对论认为，时空是一个整体，而且它是可以弯曲的，可以定义时空的曲率，引力本质上就是时空弯曲的效应。因此，引力波传到哪里，就让哪里的时空变得弯曲，而且这个时空弯曲程度是振荡的。
	一个常用的比喻是：时空好比舞台，物质好比舞台上的演员。普通的波，例如水波、声波、电磁波，都是演员在运动，舞台不动。而引力波，是舞台本身的运动。如果你了解这一点，你的知识水平就超过了90%的人。所以我们经常把引力波称为时空的涟漪，其实把它称为时空波也许会更容易理解。
	具体而言，引力波的可观测效应是什么呢？它有两种振动模式，分别叫做+模式和x模式，如图所示。
	这两种模式都会使相互垂直的两个方向上的距离一个增加，另一个同时减少。例如图中+模式的相位为π/2时，就是在垂直方向拉长，在水平方向压缩，而相位为3π/2时就反过来，在水平方向拉长，在垂直方向压缩。
	好比你在两面哈哈镜之间穿梭，一面哈哈镜把你变成一个拉长的瘦子，另一面哈哈镜把你变成一个压缩的胖子。这两种变形就是引力波的效果，而你在这两种变形之间循环往复的速度就是引力波的频率。
	如果我们在垂直于引力波的传播方向布置一些自由的质点，当引力波到达的时候，这些质点之间的距离就会发生振荡。我们就是利用这种效应来探测引力波的，所以简单来说，引力波探测器就是高精度的距离测量仪器。
	例如2015年首次探测到引力波的激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，简称LIGO），它探测到的信号就是一个10的-21次方量级的距离变化比例，即4公里长的干涉臂伸长或缩短10的-18次方米的长度。10的-18次方米是什么概念？只有一个原子核半径的千分之一而已！惊人的是，这样微小的变化居然是可以探测到的，这是当代科技的伟大胜利。
	上面我们解释了引力波，下面再来解释纳赫兹，这指的是引力波的频率。有些波例如声波只会出现在一个比较窄的频段，太高频不行，太低频也不行。而引力波不是这样，它的频谱很宽，几乎任何频率都可以出现，这一点跟电磁波类似。
	LIGO能够探测的引力波，频率在1至100 Hz之间，这个频段的引力波主要是由超新星爆炸、伽马暴、双中子星、双恒星级黑洞以及中子星-恒星级黑洞系统的并合产生的。人类还在尝试把引力波探测器放到太空去，例如中国的太极计划和天琴计划，它们的探测范围是0.001至0.1 Hz，这个频段的引力波源主要有双白矮星系统以及双中等质量黑洞系统，其中黑洞的特征质量约为百万太阳质量。以上这些都不是纳赫兹引力波，纳赫兹指的是10的-9次方赫兹。
	什么样的来源会形成纳赫兹引力波呢？随着星系不断合并，星系中心的超大质量黑洞（即质量约为10亿倍太阳质量的黑洞）也会形成双星系统，它们产生的是纳赫兹引力波。
	下面我们来理解一下纳赫兹引力波的性质。纳赫兹就是10的-9次方赫兹，它的周期就是这个频率的倒数10的9次方秒即10亿秒，约等于32年。用光速除以频率，得到纳赫兹引力波的波长在10的17次方米的量级，大约为一光年至几十光年。
	一光年就是光走一年经过的距离，约为9.4607 × 1015米，这是一个巨大的长度。作为比较，太阳到最近的恒星比邻星（即《三体》的原型）的距离大约是4光年，而太阳到地球的距离（即一个天文单位）大约是1.5亿公里，只有6千万分之一光年。如果要直接探测纳赫兹引力波，就需要建造一个长度达到光年量级的探测器，这显然远远超过了人类当前的能力，——我们现在连太阳系都出不了呢！
	然而奇妙的是，我们仍然有办法去探测纳赫兹引力波，而且目前只有一种办法。这种办法叫做脉冲星测时阵列（Pulsar Timing Array，简称 PTA），下面我们来介绍。
	脉冲星的意思是，它会发出具有稳定周期的脉冲信号。这种脉冲信号是如此的稳定，堪比目前实验室中最精确的计时装置“原子钟”，所以我们经常把脉冲星比作宇宙中的信标和灯塔。