什么是未來的引力波天文學(xué)？2015年9月，一個(gè)設(shè)定華盛頓州的利文斯頓，一個(gè)設(shè)在路易斯安那州的漢福德，兩個(gè)“雙胞胎”激光干涉儀引力波觀測臺(tái)同時(shí)探測到了由兩個(gè)黑洞的合并事件產(chǎn)生的引力波。兩個(gè)引力波探測器僅使用了靈敏度設(shè)計(jì)值的30%，但它們都成功地捕獲了由兩個(gè)黑洞碰撞后發(fā)出的引力波信號(hào)。在兩個(gè)信號(hào)事件的前一個(gè)中，一個(gè)黑洞的質(zhì)量為太陽的36倍，另一個(gè)黑洞的質(zhì)量為太陽的29倍，引力波信號(hào)的記錄時(shí)間為2015年九月14日。

在兩個(gè)信號(hào)事件的后一個(gè)中，一個(gè)黑洞的質(zhì)量為太陽的14倍，另一個(gè)黑洞的質(zhì)量為太陽的8倍，引力波信號(hào)的記錄時(shí)間為2015年12月26日。LIGO國際合作團(tuán)隊(duì)第一次找到了引力波存在的直接證據(jù)，這表明了一個(gè)顯著的事實(shí)，從引力波的第一次預(yù)測到第一次的驗(yàn)證，整整過去了一個(gè)世紀(jì)，只有觀測技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在的水平，科學(xué)界才有可能對(duì)引力波的理論預(yù)測進(jìn)行檢驗(yàn)，過去的技術(shù)手段難以搜索引力波的真實(shí)信號(hào)。

對(duì)引力波信號(hào)的探測僅是一個(gè)開端，人類也許迎來了一個(gè)新的天文學(xué)新時(shí)代，在101年以前，“高瞻遠(yuǎn)矚”的愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了一種有關(guān)引力的全新理論，廣義相對(duì)論與牛頓的萬有引力定律有本質(zhì)的不同，牛頓認(rèn)為，在距離遙遠(yuǎn)的宇宙物體之間存在及時(shí)性的吸引作用，愛因斯坦卻認(rèn)為，在宇宙呈現(xiàn)的物質(zhì)和能量彎曲了時(shí)空的纖維結(jié)構(gòu)，對(duì)引力形成的全新解釋產(chǎn)生了一系列未有預(yù)料的結(jié)果。

廣義相對(duì)論的預(yù)測包括了引力透鏡現(xiàn)象，宇宙的膨脹，引力場對(duì)時(shí)間的稀釋作用，最難以捉摸的引力波現(xiàn)象。引力輻射表示了一種新型的輻射，當(dāng)物體在空間做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，空間自身的反應(yīng)表現(xiàn)為纖維組織的振動(dòng)，空間組織的波動(dòng)形成了向外傳播的時(shí)空“漣漪”，好似水波或漣漪一樣以光速在太空中傳播，當(dāng)引力波信號(hào)穿過地球上的探測器時(shí)，“守株待兔”的科學(xué)家才可能探測到波動(dòng)信號(hào)，引力波是遙遠(yuǎn)太空給送給人們的“禮物”，科學(xué)家將愛不釋手的天空禮物稱之為引力波。

最容易探測到的信號(hào)與發(fā)出了最強(qiáng)的引力波源有關(guān)，最容易探測的對(duì)象是發(fā)出了最強(qiáng)信號(hào)的天體?？梢粤信e的引力波源包括大質(zhì)量的天體，在大質(zhì)量的天體之間存在一個(gè)逐漸減少的距離，雙天體相互繞轉(zhuǎn)的速度隨之加快，它們的繞轉(zhuǎn)軌道發(fā)生了顯著或劇烈的變化。黑洞和中子星之類的恒星坍塌天體成為了引力波源的主要候選對(duì)象。考慮到大質(zhì)量雙天體的振動(dòng)頻率，這一頻率大致上等于探測器路徑的長度或激光臂長度乘以激光束反射的次數(shù)，再除以光速。

LIGO探測器的手臂有4公里長，在引力波干涉儀形成激光干涉的圖式之前，激光束產(chǎn)生了1000次的激光反射，探測器檢測的物體振動(dòng)頻率為千分之一秒或毫秒的范圍，這類頻率范圍的振動(dòng)物體包括了在最后階段合并的雙黑洞和合并的雙中子星。黑洞和中子星之類的奇異天體吸收了巨量的物質(zhì)，經(jīng)歷振動(dòng)之后變成了圓球形。高度非對(duì)稱的超新星同樣發(fā)出了引力波，不是每個(gè)恒星核心的塌陷事件都產(chǎn)生了可以檢測的引力波，但在地球附近發(fā)生的白矮星合并事件也許產(chǎn)生了引力波信號(hào)。

科學(xué)家已見證了一個(gè)雙黑洞的合并者，LIGO探測器得到了持續(xù)的改進(jìn)，在未來的幾年，人們有理由期待，科學(xué)家將第一次估算出恒星質(zhì)量級(jí)的黑洞數(shù)量，這類黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于幾個(gè)太陽到大約100個(gè)太陽之間。當(dāng)探測器達(dá)到設(shè)計(jì)值的靈敏度時(shí)，LIGO國際合作團(tuán)隊(duì)對(duì)發(fā)現(xiàn)雙中子星的合并者抱有很大的信心，他們對(duì)合并者事件的頻率和LIGO探測器的靈敏度有正確的判斷，每個(gè)月可能發(fā)現(xiàn)3到4個(gè)引力波事件。短周期伽馬暴很有可能來源于中子星的合并事件，但科學(xué)家的疑問并未得到觀測的證實(shí)。

科學(xué)家對(duì)非對(duì)稱型超新星和奇異中子星的振動(dòng)特別感興趣，這類現(xiàn)象可能十分罕見，但科學(xué)家有機(jī)會(huì)在新的技術(shù)方式上探究這類現(xiàn)象的發(fā)生，只有更多的探測器投入使用，才能做出更好的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。設(shè)在意大利的VIRGO探測器即將投入運(yùn)轉(zhuǎn)，它將進(jìn)行真正的三角法位置測量，以精確定位引力波事件在太空的位置，光學(xué)對(duì)應(yīng)波段的觀測隨后進(jìn)行，中國、日本和印度制定了建造引力波干涉儀的計(jì)劃，在未來的幾年，科學(xué)家對(duì)引力波觀測的天空覆蓋范圍將會(huì)大幅提升。

顯著的技術(shù)進(jìn)展產(chǎn)生于科學(xué)家將引力波探測器發(fā)射到太空，昂貴的探測器在太空的環(huán)境避免了地震噪音、地面的卡車轟鳴、地殼板塊的“漂移”等因素的干擾。在太空寂靜的真空背景，干涉儀不會(huì)受到地球彎曲外形的影響，科學(xué)家按照設(shè)計(jì)的意圖構(gòu)建任意長度的激光“手臂”，干涉儀探測衛(wèi)星被設(shè)置在地球軌道，甚至設(shè)置在繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)的軌道。地面觀測與太空觀測不同，地面對(duì)合并黑洞引力波的觀測持續(xù)了幾個(gè)毫秒，太空對(duì)合并黑洞引力波的觀測可以持續(xù)幾秒、幾天、幾周、甚至更長的周期，對(duì)天體引力波的觀測包括了宇宙中位于星系中心的最大天體。

只有建造足夠大、足夠靈敏的太空觀測臺(tái)，科學(xué)家才能搜索從宇宙大爆炸發(fā)出的遺留至今的所謂原初引力波，從宇宙的暴漲直接探測到原初引力的擾動(dòng)，這將在全新的方式上證實(shí)宇宙的起源，同時(shí)也能檢測引力的量子本質(zhì)，宇宙暴漲的引力波之所以產(chǎn)生，這可能與引力自身量子場的屬性相關(guān)。LISA探路者的投入使用可能證明原初引力波探測的可能，太空探測的投資計(jì)劃也許是正確的科學(xué)決策。

似乎出現(xiàn)了炙熱的科學(xué)競賽風(fēng)潮，什么樣的觀測將成為主要的手段？很多科學(xué)機(jī)構(gòu)構(gòu)想了有效的使命計(jì)劃，以太空為背景的引力波探測是目前科學(xué)家的最大夢想，太空引力波觀測臺(tái)被發(fā)射到繞太陽運(yùn)行的軌道。引力波探測的一系列大膽、“野性”的設(shè)想將會(huì)變成現(xiàn)實(shí)，精確的檢測技術(shù)證實(shí)了引力波的概念和預(yù)言。

“飄飄灑灑”的引力波來自太空，未來的引力波天文學(xué)向人們傳達(dá)了宇宙的信息，在信息中包含了約束引力波天文學(xué)的各項(xiàng)參數(shù)。投資太空觀測臺(tái)的資金巨大，但為科學(xué)付出的成本取得回報(bào)的概率很高。引力波天文學(xué)的時(shí)代正在到來，但人們還不清楚新的天文學(xué)領(lǐng)域有著怎樣的光明前景，人們還會(huì)對(duì)即將發(fā)生的一切產(chǎn)生懷疑，但探測行動(dòng)的力度決定了引力波天文學(xué)的未來。

（編譯：2016-6-29 ）