财讯：发掘引力波的化石，能找到被埋藏在黑暗中的宇宙真相吗？

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资料来源:返回朴素

近年来黑洞、引力波是尖端热点的研究。 但是，现在检测到的引力波信号总是来自于双黑洞合并和中子星合并等极端天体，很容易发现没有检测到从更一般的双星运动放射的引力波。 吸引科学家的是，能说明宇宙起源问题的原始引力波也消失了，主要原因是观测能力的限制。 但是，并不妨碍科学家的脚步，上天进入地面，许多引力波探测项目开航了。 在不久的将来，我们可能会知道越来越多的宇宙新闻，获得物理学圣杯——量子引力。

写文章|董唯元

年9月，人类首次捕捉到引力波，ligo这个巨大干涉仪也很有名。 经过近年来的迅速发展，现在这条胳膊宽几公里，精度达到千分之一的质子半径的工程奇迹，已经在世界上开展到ligo-virgo互联网上。 美国国内的ligo hanford和ligo livingston、意大利内的virgo、德国内的geo600现在已经完成建设，相互连接。 将来的ligo-virgo互联网也将纳入在日本国内建设中的kagra和在印度国内计划建设的ligo india。

这些探测装置之所以这么巨大，是因为引力波的频率低，波长太长。 以编号gw150914的最初实测引力波为例，其频率约为150hz左右，其传递速度为光速即30万公里/秒，因此波为相当于地球半径的三分之一的2000公里。

即使有几公里的手臂宽度，像ligo这样在陆地上建设的干涉仪也只能检测到引力波中频率最高、波长最短的部分。 所以现在我们听到引力波，几乎会导致黑洞合并，黑洞吞没中子星的极端情况。 因为只有这样的极端，才能在短时间内释放巨大的能量，产生这样的高频引力波。

在gw150914发生的黑洞合并过程中，到达该瞬间的放射功率峰值是宇宙所有发光物质放射功率总和的10倍。 即使如此，在超过13亿光年的距离掠过地球时，只有手臂宽度只有4公里的ligo livingston和ligo hanford成功检测到了信号，但没能发现手臂宽度只有0.6公里的geo600。

但是，在宇宙中很少看到这样高能量的极端现象。 2019年4月至10月的ligo-virgo火力全开的半年内，一共只检测到39次。 平均大约两周三次。 其中，gw190521这个号码的引力波，因为发现了位于“质量禁止区域”的黑洞，ligo-virgo再次成为了信息的焦点。 (参照《ligo-virgo》，发现了所谓的“不可能”黑洞。 黑洞的质量禁飞区真的存在吗？ )。

ligo-virgo的可感知频率范围约为10-1000hz，除此范围外，还存在很多更低频率的引力波。 比如宇宙中无处不在的双星系统，一旦他们相互迂回，就会继续向外发射引力波。 但是，任何引力波的频率都在10hz以下，波长至少有几万公里，有些低频引力波的波长有时会达到光年水平，用ligo的手臂长度不太能检测到。

既然地面干涉仪的尺寸不够，最容易考虑的方法之一就是在太空上架设超大型干涉仪。 欧洲空间局的lisa计划基于在太空上设置三角形干涉仪的想法。 与ligo这样的地基干涉仪相比，lisa计划的天基干涉仪的工作原理不变，第一个区别是尺度要大得多。

lisa发射了三颗人造卫星，其实应该说是“人造行星”。 因为这三种设备不是绕地球运动，而是绕地球一起绕太阳运动。 在当初的计划中，三个设备彼此相距500万公里，但之后缩小到了250万公里。 尽管如此，这个距离是月球距离的6.6倍，从有激光的设备到另一设备的时间超过了8秒。

这个巨大的天基干涉仪计划于2034年开始运营，可以检测10-1-10-6hz频率范围内的引力波。 在这个频带，不像ligo那样只是等待兔子，而不是等待宇宙中偶然的大型碰撞事故，可以继续“跟踪”一点宇宙中大质量双星系统的日常行为。

对于较低频率的引力波，现在的技术手段不容易通过简单地扩大干涉仪的尺寸的方法来检测。 除非你有能力设置比太阳系柯伊伯带更大的干涉仪，否则检测光年级的引力波需要别的方法。

但是机智的科学家们在宇宙中找到了用于检测10-6-10-9hz频率引力波的天然工具。 这个天然工具是哪个宇宙自转周期为毫秒级的脉冲星，利用这些脉冲星进行探测的方法是pta(pulsar timing array，脉冲星计时阵列)。

来自高速自转的脉冲星的电磁波像灯塔的灯光一样以一定的频率扫描地球，在地球上在意的脉冲周期相当稳定。 但是，引力波通过后，电磁波的路径行程受到影响，因此在地球上在意的脉冲周期也发生微妙的变化，其变化本身具有一定的周期性。

例如，我注意到原来周期为5毫秒的脉冲星，年的脉冲周期最小，比正常值下降了20纳秒。 年的脉冲周期最大，比正常值上升了20纳秒，因此可以推测，脉冲信号的路径中流过频率为10-9hz(10年振动一次)的引力波。

当然，如果盯着一个脉冲明星进行测量，即使检测到这样的变化，也不知道引力波来自哪里，所以只有在不同的方位观测多个脉冲明星，才能分解这种低频引力波的大致传递模式。

第一次pta数据收集始于2005年。 当时，只有澳大利亚新南威尔士的parkes电波望远镜跟踪观测，欧洲和北美也相继开始了pta观测和数据收集。 但是，由于pta需要在几十年的时间跨度内进行数据观察比较，因此现在还没有比较确定直接的引力波记录的公布。

无论是每秒振动几百次的高频引力波，还是几年只振动一次的低频引力波，都是引力波“生物体”。 在宇宙微波的背景放射中，几乎不振动的特殊引力波冻结了。 或者，这个引力波的波长达到了相当大的宇宙尺度，其振动周期和宇宙的年龄差不多。 这些引力波是宇宙诞生后不久在膨胀过程中产生的空之间充满的引力波，因此被称为“原始引力波”。

根据膨胀理论，宇宙创造后10-36秒到10-32秒之间经历过非常快的膨胀期。 这个膨胀过程在理论上美丽地解释了宇宙学的许多疑问，是今天宇宙学框架中不可或缺的支柱，但模型理论本身依然面临着很多挑战。 因为找不到“宇宙为什么会膨胀”的合理答案，学术界对这个模型的争论还在继续。 如果能在观测中发现“原始引力波”，就相当于找到膨胀过程确实存在的证据，对解开宇宙膨胀之谜一定有极其重要的帮助。

检测原始引力波的原理和方法与ligo、lisa、pta根本不同。 在膨胀过程中，整体时空以超光速延伸，引力波是时空自身的涟漪，传递速度只有光速，因此原始引力波实际上不能很好地传递，被牢固地密封在宇宙时空背景下。 如果说ligo、lisa、pta检测到生物体的引力波，那么探测原始引力波的事业就像发掘旧引力波的化石。

哪个原始引力波化石隐藏在宇宙到处的2.7k微波背景辐射中，更准确地说是包含在背景辐射的偏振光谱中。 但是，从许多复杂的偏振光谱中准确地找到属于“原始引力波”的贡献成分并不容易。 在美国阿蒙森斯科特南极站( amundsen–Scott )的bicep组( Backgroundimagingofcosmicextragalacticpolarization，宇宙全银河偏振光背景图像)中，专门用于检测原始引力波

宇宙微波背景发射中的偏振光谱包括“e模式”和“b模式”两大部分，其中e和b借用电磁场中的电场强度e和磁场强度b进行比喻，前者表示无旋转度场，后者表示无分散度场。

其中“e-模式”强度大，比较容易检测，2002年美国国家科学基金已经在南极设立的观测所dasi成功检测到。 遗憾的是，“e-模式”偏振光并不说明原始引力波的存在，只是早期宇宙等离子体汤中汤姆逊散射发生的自然结果。

另一方面，“b模式”成分也不能直接判断原始引力波的存在，因为根据重力透镜，“e模式”也变化为“b模式”。 年3月，美国阿蒙森斯科特南极站的bicep二代望远镜声称找到了属于原始引力波的“b模式”偏振光谱。 但是很快就有研究者对数据结果提出了疑问。 半年后，esa的普朗克卫星收集了足够的数据，表明这些“b模式”成分是银河中灰尘造成的幻想。

之后，bicep项目组对数据的结论更加谨慎，设备也多次更新和升级。 年10月末，这个项目组的成员克服了疫情的困难，完成了观测设备的最新升级。

我国的原始引力波探测事业由中国科学院高能物理研究所主导，计划于年启动，在青藏高原建设世界上海拔最高的观测站。 为了选址在海拔5250米的西藏阿里地区，这个计划被命名为“蚂蚁计划”，基础部分于2019年完成。

原始引力波的研究不仅验证了膨胀理论模型是否正确，而且是认知极其早期宇宙的重要新闻来源。 在宇宙大爆炸的过程中，原始引力波的产生几乎比其他任何能量形式都早，在电弱作用融合一体化、物质和辐射不分离时就已经存在。 所以，原始引力波是这个宇宙中经验最丰富、作用最广泛的，任何早期的经验都是由原始引力波谨慎记录的。

在最初几万年不怎么透光的“宇宙黑暗时代”，全宇宙的面貌发生了多次变化。 直到“黑暗时期”结束，一线光明平静地到达远方，我们从微波的背景辐射中只能看到宇宙的38万岁的身影。 幸运的是，原始引力波在这张照片上静静地留下了从10-32秒以上的时间到宇宙38万岁的所有印记，我们更早的时候就有了了解黑暗中隐藏的真相的机会。

如果有一天能解读它的奥秘，不仅有助于认识宇宙的产生和进化机制，而且鉴于初期宇宙的极端条件环境，初期引力波会直接认识到缺乏对称性、希格斯机制等基础物理问题，甚至是引导物理学的最高圣杯——量子重力的可能方向