挖掘引力波的化石，能找到被埋藏在黑暗中的宇宙真相嗎？

近年來(lái)黑洞、引力波當(dāng)屬前沿?zé)狳c(diǎn)研究?？墒侨藗兒苋菀装l(fā)現(xiàn)，目前探測(cè)到的引力波信號(hào)總是來(lái)源于雙黑洞合并或中子星合并這類極端的天體事件，并未探測(cè)到更為常見(jiàn)的雙星運(yùn)動(dòng)所輻射出的引力波；而更吸引科學(xué)家的，甚至可以解釋宇宙起源問(wèn)題的原初引力波也不見(jiàn)蹤影，主要原因就在于觀測(cè)能力的限制。但這沒(méi)有阻礙科學(xué)家的腳步，上天入地，多個(gè)引力波探測(cè)項(xiàng)目已經(jīng)起航?；蛟S不久的將來(lái)，我們就能了解更多的宇宙信息，甚至拿下物理學(xué)圣杯——量子引力。

撰文 | 董唯元

2015年9月，人類首次捕捉到了引力波，LIGO這種巨型干涉儀也隨之名聲大噪。經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，如今這種臂展數(shù)公里，精度達(dá)到千分之一質(zhì)子半徑的工程奇跡，已經(jīng)在全球鋪展成LIGO-Virgo網(wǎng)絡(luò)。美國(guó)境內(nèi)的LIGO Hanford和LIGO Livingston，意大利境內(nèi)的Virgo、德國(guó)境內(nèi)的GEO600，這幾處站點(diǎn)目前均已完成建設(shè)并已互聯(lián)組網(wǎng)。未來(lái)LIGO-Virgo網(wǎng)絡(luò)還將納入日本境內(nèi)正在建設(shè)的KAGRA，以及印度境內(nèi)將規(guī)劃建設(shè)的LIGO India。

全球引力波探測(cè)站點(diǎn)丨圖源：LIGO-Virgo

這些探測(cè)裝置之所以如此龐大，完全是因?yàn)橐Σǖ念l率太低、波長(zhǎng)太長(zhǎng)。就以編號(hào)為GW150914的首個(gè)實(shí)測(cè)引力波為例，它的頻率只有約150Hz左右，其傳播速度是光速，即30萬(wàn)公里/秒，所以波長(zhǎng)足有2000公里，相當(dāng)于地球半徑的三分之一。

即使擁有數(shù)公里的臂展，LIGO這類建造在陸地上的干涉儀也只能探測(cè)引力波中頻率最高，波長(zhǎng)最短的那些部分。這也是為什么如今我們但凡聽(tīng)到引力波，幾乎必然聯(lián)系到黑洞合并或者黑洞吞噬中子星這種較為極端的情況。因?yàn)橹挥羞@類極端事件，才能在短時(shí)間內(nèi)釋放出巨大能量，從而產(chǎn)生出如此高頻的引力波。

產(chǎn)生GW150914的那次黑洞合并過(guò)程中，其瞬間達(dá)到的輻射功率峰值，是可觀測(cè)宇宙中所有發(fā)光物質(zhì)輻射功率總和的十倍。即使如此，當(dāng)它跨越13億光年的距離，在2015年掠過(guò)地球的時(shí)候，只有臂展4公里的LIGO Livingston和LIGO hanford成功探測(cè)到了信號(hào)，而臂展只有0.6公里的GEO600卻未能發(fā)現(xiàn)。

位于美國(guó)的LIGO Livingston，單側(cè)臂長(zhǎng)4公里丨圖源：Caltech/MIT/LIGO Lab

然而宇宙中這類高能極端事件并不常見(jiàn)，2019年4月至10月LIGO-Virgo火力全開(kāi)的半年里，一共也只探測(cè)到39次，平均大約每?jī)芍?次。其中編號(hào)為GW190521的引力波，因發(fā)現(xiàn)了處于“質(zhì)量禁區(qū)”的黑洞而使LIGO-Virgo再一次成為新聞焦點(diǎn)。（參見(jiàn) 《LIGO-Virgo發(fā)現(xiàn)所謂‘不可能’黑洞，黑洞質(zhì)量禁區(qū)真的存在嗎？》）

LIGO-Virgo的可感頻率范圍大約在10-1000Hz，這一范圍之外還存在著大量頻率更低的引力波。比如宇宙中隨處可見(jiàn)的雙星系統(tǒng)，當(dāng)他們相互繞行時(shí)，就會(huì)向外持續(xù)輻射引力波。只不過(guò)那些引力波的頻率都在10Hz以下，波長(zhǎng)起碼有幾萬(wàn)公里，有些低頻引力波的波長(zhǎng)甚至可以達(dá)到光年量級(jí)，以LIGO的臂展長(zhǎng)度很難探測(cè)到。

既然地面上的干涉儀尺寸不夠，最容易想到的一個(gè)辦法就是在太空中架設(shè)超大型干涉儀。歐洲空間局的LISA計(jì)劃正是基于這樣的思路，該計(jì)劃是在太空中架起一個(gè)三角形的干涉儀。與LIGO這樣的地基干涉儀相比，LISA計(jì)劃的天基干涉儀工作原理并無(wú)二致，主要區(qū)別就是尺度要大得多。

LISA計(jì)劃示意圖丨圖源：維基百科

LISA計(jì)劃發(fā)射三顆人造衛(wèi)星，其實(shí)應(yīng)該說(shuō)是“人造行星”，因?yàn)檫@三個(gè)設(shè)備并不是繞地球運(yùn)動(dòng)，而是跟隨地球一起繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)。起初的規(guī)劃中，三個(gè)設(shè)備相互距離500萬(wàn)公里，后來(lái)縮小為250萬(wàn)公里。即便如此，這個(gè)距離仍是地月距離的6.6倍，激光從一個(gè)設(shè)備走到另一個(gè)的時(shí)間超過(guò)8秒。

這個(gè)巨大的天基干涉儀預(yù)計(jì)將在2034年開(kāi)始工作，可以探測(cè)10^（-1）-10^（-6）Hz頻率范圍內(nèi)的引力波。在這個(gè)頻段，就可以對(duì)一些宇宙中大質(zhì)量雙星系統(tǒng)的日常行為進(jìn)行持續(xù)“跟蹤”，而不再像LIGO那樣只守株待兔地等著宇宙中偶發(fā)的大型碰撞事故。

天基干涉儀探測(cè)引力波的原理示意圖丨圖源：維基百科

對(duì)于頻率更低的引力波，以目前的技術(shù)手段，很難再用簡(jiǎn)單放大干涉儀尺寸的方式進(jìn)行探測(cè)。除非我們有能力架起比太陽(yáng)系的柯伊伯帶更大的干涉儀，否則想探測(cè)那些波長(zhǎng)在光年量級(jí)的引力波，就得另辟蹊徑。

不過(guò)這難不倒機(jī)智的科學(xué)家們，他們居然在宇宙中找到了一種天然工具，可以用來(lái)探測(cè)頻率在10^（-6）-10^（-9）Hz范圍內(nèi)的引力波。這種天然工具就是那些宇宙中自轉(zhuǎn)周期在毫秒量級(jí)的脈沖星，而利用這些脈沖星進(jìn)行探測(cè)的方式就是PTA（Pulsar Timing Array，脈沖星計(jì)時(shí)陣列）。

脈沖星計(jì)時(shí)陣列工作原理丨圖源：Astrobites

那些由高速自轉(zhuǎn)的脈沖星所發(fā)出的電磁波，像燈塔的燈光一樣以固定的頻率掃過(guò)地球，在地球上觀察到的脈沖周期相當(dāng)穩(wěn)定。然而當(dāng)有引力波經(jīng)過(guò)時(shí)，電磁波的路徑行程會(huì)受到影響，所以在地球上觀察到的脈沖周期也就會(huì)出現(xiàn)細(xì)微變化，而且這種變化本身具有一定周期性。

比如，當(dāng)我們察覺(jué)到一顆原本周期為5毫秒的脈沖星，在2010年的脈沖周期最小，比正常值降低了20納秒；而在2020年的脈沖周期又達(dá)到最大，比正常值升高了20納秒，那么我們就可以推測(cè)出，在脈沖信號(hào)的路徑上，掠過(guò)了頻率為10^（-9）Hz（10年震動(dòng)一次）的引力波。

當(dāng)然如果我們只盯住一顆脈沖星測(cè)量的話，即使探測(cè)到這種變化，也無(wú)從知曉引力波來(lái)自哪里又去向何方，所以需要在不同方位同時(shí)觀測(cè)多顆脈沖星，才有可能分析出這種低頻引力波的大致傳播樣貌。

最早的PTA數(shù)據(jù)采集已經(jīng)于2005開(kāi)始，當(dāng)時(shí)只有位于澳大利亞新南威爾士的Parkes射電望遠(yuǎn)鏡跟蹤觀測(cè)，后來(lái)歐洲和北美也都陸續(xù)開(kāi)始了PTA觀測(cè)和數(shù)據(jù)收集。不過(guò)由于PTA需要在數(shù)十年的時(shí)間跨度內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析比較，目前還尚未有較為明確直接的引力波記錄公布。

引力波波譜及其探測(cè)手段丨圖源：Caltech

無(wú)論每秒振動(dòng)上百次的高頻引力波，還是若干年才震動(dòng)一次的低頻引力波，都還是引力波“活體”。而在宇宙微波背景輻射中，還凍結(jié)著一種幾乎完全不振動(dòng)的特殊引力波。或者說(shuō)這種引力波的波長(zhǎng)達(dá)到了可觀宇宙的尺度，其振動(dòng)周期與宇宙的年齡在同一量級(jí)。這些引力波是宇宙剛誕生時(shí)由暴脹過(guò)程所產(chǎn)生的一種充滿空間的引力波，所以被稱為“原初引力波”。

根據(jù)暴脹理論，宇宙創(chuàng)生之后從10^（-36）秒到10^（-32）秒這段時(shí)間曾經(jīng)歷過(guò)極快速的暴脹期，正是這個(gè)暴脹過(guò)程從理論上漂亮的解釋了宇宙學(xué)的很多疑難問(wèn)題，已是今天宇宙學(xué)框架中不可或缺的頂梁柱，但模型理論本身卻依然面臨諸多挑戰(zhàn)。由于尚未找到“宇宙為什么會(huì)暴脹”的合理答案，學(xué)界對(duì)這個(gè)模型一直存在爭(zhēng)議。如果能夠通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)“原初引力波”，相當(dāng)于找到了暴脹過(guò)程確曾存在的鐵證，對(duì)宇宙暴脹之謎的破解無(wú)疑將有極為重要幫助。

探測(cè)原初引力波的原理和方式，與LIGO、LISA或PTA有根本性的不同。由于暴脹過(guò)程中，整個(gè)時(shí)空都以超光速拉伸，引力波作為時(shí)空本身的漣漪，傳播速度僅為光速，所以原初引力波實(shí)際上無(wú)法暢快的四處傳播，而是被牢牢地封印在宇宙的時(shí)空背景之中。如果說(shuō)LIGO、LISA和PTA所探測(cè)的是活體的引力波，那么探尋原初引力波的工作則更像挖掘古老引力波的化石。

2018年由普朗克衛(wèi)星所拍攝的宇宙微波背景輻射偏振分布情況，黑色短線方向代表偏振方向，長(zhǎng)度代表偏振幅度，背景顏色代表溫度分布丨圖源：ESA

那些原初引力波的化石就隱藏在遍布宇宙各處的2.7K微波背景輻射之中，更確切地說(shuō)，是蘊(yùn)含在背景輻射的偏振譜中。然而從復(fù)雜的偏振譜中，準(zhǔn)確找出歸屬“原初引力波”的貢獻(xiàn)成分并非易事。在美國(guó)阿蒙森-斯科特南極站（Amundsen–Scott）的 BICEP小組（Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization，宇宙泛星系偏振背景成像），就是專門從事原初引力波的探測(cè)。

宇宙微波背景輻射中的偏振譜包含“E-模式”和“B-模式”兩大部分，這里的E和B是借用電磁場(chǎng)中的電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁場(chǎng)強(qiáng)度B來(lái)比喻，前者代表無(wú)旋度場(chǎng)，后者代表無(wú)散度場(chǎng)。

其中“E-模式”強(qiáng)度較大，相對(duì)容易探測(cè)，早在2002年就已經(jīng)被美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金在南極設(shè)立的觀測(cè)站DASI成功探測(cè)到。可惜“E-模式”偏振并不能證明原初引力波的存在，那些只是早期宇宙等離子濃湯中發(fā)生湯姆遜散射的自然結(jié)果。

另一方面，“B-模式”成分也不能直接斷定原初引力波的存在，因?yàn)樵谝ν哥R作用下，“E-模式”也可以變形成“B-模式”。2014年3月，美國(guó)阿蒙森-斯科特南極站的BICEP二代望遠(yuǎn)鏡曾宣稱找到了歸屬原初引力波的“B-模式”偏振譜。不過(guò)很快就有研究者對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果提出質(zhì)疑，半年后，ESA的普朗克衛(wèi)星收集了足夠數(shù)據(jù)，證明這些“B-模式”成分都是由銀河系內(nèi)的塵埃造成的假象。

此后BICEP項(xiàng)目組對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)論更為謹(jǐn)慎，設(shè)備也屢次更新升級(jí)。2020年10月底，這個(gè)項(xiàng)目組的成員克服了疫情困難，又完成了觀測(cè)設(shè)備的最新一次升級(jí)。

位于南極的BICEP觀測(cè)站丨圖源：維基百科

我國(guó)的原初引力波探測(cè)工作由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所主導(dǎo)，于2016年啟動(dòng)，計(jì)劃在青藏高原建設(shè)世界上海拔最高的觀測(cè)站。由于選址在海拔5250米的西藏阿里地區(qū)，所以這個(gè)計(jì)劃被命名為“阿里計(jì)劃”，基座部分已經(jīng)在2019年完成。

2019年建成的阿里原初引力波觀測(cè)站基座部分丨圖源：中科院高能所

對(duì)原初引力波的研究，其意義遠(yuǎn)不止于驗(yàn)證暴脹理論模型是否正確，更是幫助我們認(rèn)識(shí)極早期宇宙的關(guān)鍵信息來(lái)源。在宇宙大爆炸過(guò)程中，原初引力波的產(chǎn)生幾乎早于其他任何能量形式，早在電弱作用融合一體、物質(zhì)與輻射尚未分離的時(shí)候就已經(jīng)存在。所以原初引力波當(dāng)屬這個(gè)宇宙里閱歷最豐富，見(jiàn)識(shí)最廣博的角色，那些早期的經(jīng)歷都已被原初引力波小心地記錄下來(lái)。

在起初數(shù)萬(wàn)年密不透光的“宇宙黑暗時(shí)期”，全宇宙的樣貌數(shù)次巨變。等到“黑暗時(shí)期”結(jié)束，第一縷光可以從容射向遠(yuǎn)方，我們從微波背景輻射中所能夠看到的，只是宇宙38萬(wàn)歲的樣子。幸好原初引力波在這張照片中悄悄留下了自10^（-32）秒甚至更早時(shí)間開(kāi)始，直至宇宙38萬(wàn)歲的所有印記，才使我們有機(jī)會(huì)借機(jī)認(rèn)識(shí)更早期那些被埋藏在黑暗中的真相。

宇宙暴脹過(guò)程產(chǎn)生的引力波使微波背景輻射帶有偏振特性丨圖源：維基百科

如果有朝一日能夠解讀其中奧秘，不僅可以幫助我們認(rèn)識(shí)宇宙的產(chǎn)生和演化機(jī)制，而且鑒于早期宇宙的極端條件環(huán)境，原初引力波更能直接引領(lǐng)我們深入認(rèn)識(shí)對(duì)稱性破缺、希格斯機(jī)制等基礎(chǔ)物理問(wèn)題，乃至指引物理學(xué)的最高圣杯——量子引力的可能方向。