引力波是如何開啓宇宙研究新篇章的？

通過觀察引力波以及尋找一種全新類型的引力波，我們可以解決宇宙中一些最深奧的謎團。

2016年，天文學家首次探測到了由100多年前愛因斯坦預言的引力波。翌年，對引力波探測做出重大貢獻的三位物理學家被授予了諾貝爾物理學獎。在一些人眼裡，這意味着塵埃落定。

但這與其說是結束，不如說是開始。引力波爲天文學家提供了一種全新的探測手段。如果說傳統的望遠鏡讓天文學家“看”到宇宙，那麼引力波則讓天文學家“聽”到宇宙。

迄今，我們已經探測到數十個引力波。它們不僅豐富了我們對宇宙中最奇特的天體(如黑洞和中子星)的瞭解，還向我們展示了恆星死亡的新細節。更重要的是，我們正接近於檢測到一種全新類型的引力波，這種引力波可以幫助我們確定暗物質的真實身份。

探測引力波已是家常便飯

請想象一下，把一塊鵝卵石扔進池塘，你會看到漣漪以同心圓的方式擴散開去。引力波就有點像這樣，只不過激起引力波的不是鵝卵石，而是像黑洞這樣的大天體，引力波也不是任何形式的物質的波動，而是時空本身的漣漪。

爲了探測引力波，天文學家在美國建造了兩個巨大的激光干涉儀引力波天文臺(簡稱LIGO)。LIGO從中心一個點分別向幾千米外的兩面鏡子發射兩道精密的激光。兩束激光所走的路徑相互垂直，而且長度嚴格相等。這樣，當它們經鏡子反射返回中心點時，就會產生一個固定的干涉圖案。一旦所走的路徑有任何微小的差異，干涉圖案就會移動。所以當引力波穿過地球時，由於空間不同方向受到持續的拉伸和壓縮，兩束激光走過的路徑不再嚴格相等，這將導致干涉圖案移動。

這樣探測引力波其實也並不容易，因爲引力波對激光幾千米路徑的改變幅度連一個原子的直徑都不到。但是天文學家還是成功地捕捉到了這種微小的變化。現在，引力波探測器除了美國的LIGO，還有意大利的Virgo，日本的KAGRA以及德國的GEO600。

目前，引力波最大的用途是爲我們瞭解黑洞提供了一個窗口。黑洞本來是很難研究的，因爲它們既不能直接發光，也不能反射光。但它們會相互碰撞，產生引力波。

當天文學家第一次探聽到黑洞碰撞的引力波信號時，着實興奮了一陣，但是如今這對於他們已經是家常便飯。截至2021年11月，觀察到的引力波總數已達到90個。隨着引力波探測技術的成熟，一個新的時代正在來臨，讓我們可以去回答關於宇宙如何在最宏大的尺度上運作的問題。

彌合黑洞和中子星之間的質量差距

雖然黑洞是一種最難探測的天體，但比起其他天體，它們在宇宙歷史上似乎留下了更多的痕跡。它們有不同的大小，在宇宙的演化過程中以不同的方式形成。譬如，有恆星量級的黑洞，它們是在大型恆星死亡時誕生的，其質量是太陽的幾倍到幾十倍。然後還有超大質量黑洞，其質量從幾百萬到幾十億個太陽質量不等。它們盤踞在星系的中心，被認爲是由較小的黑洞通過碰撞合併而成的。

然而長期以來，我們對這兩類黑洞是如何成長的以及彼此之間是什麼關係充滿了困惑。一個主要的難題是最小的黑洞和最大的中子星之間的質量差距。中子星是死亡恆星留下的殘核，是宇宙中密度僅次於黑洞的天體(理論上，密度僅次於黑洞的應該是夸克星，但夸克星的存在還未得到證實)。中子星的密度是如此之大，一火柴盒大小的中子星物質，就重達數億噸。人們認爲，只要中子星的質量再大一點，就可以坍塌成黑洞，所以最輕的黑洞與最重的中子星應該有差不多的質量。

然而，實際看到的情況卻不是這樣。甚至在LIGO建成之前，我們在實驗上就有方法來估計黑洞和中子星的質量了。用這些方法得到的結果是，最重的中子星不超過2倍的太陽質量，而最輕的黑洞則不輕於5倍的太陽質量，兩者之間有大約3倍太陽質量的差距。換句話說，介於2倍太陽質量和5倍太陽質量之間的天體，不論黑洞還是中子星，都甚少見。這讓天文學家懷疑，他們對於中子星或黑洞的理解是否有紕漏。

在LIGO探測到黑洞的頭幾年，這個“質量差距”仍然沒得到彌合。但是，隨着最近新的一批引力波數據的發佈，這種情況已經改變。現在至少有兩個事件讓我們可以填補這個差距。其中一個事件是一個黑洞吞噬一個較小的天體(這個天體是另一個黑洞還是中子星，我們還不能確定)，這個較小的天體重約2.6倍的太陽質量，正好在質量差距之內。另一個事件是一個黑洞正在吞噬一顆2.1倍太陽質量的中子星。此外，天文學家用射電望遠鏡還發現了一顆2.19倍太陽質量的中子星。

這些探測結果告訴我們，觀測上所謂的最大中子星和最小黑洞之間的“質量差距”可能只是一種假象，實際上並不存在。造成這一假象的原因在於，LIGO更擅長探測大質量的天體。譬如，它很擅長探測大於30倍太陽質量的黑洞，但要它探測2~5倍太陽質量的黑洞，卻比較困難。所以，只要它沒有技術上的侷限性，能探測到介於2倍到5倍太陽質量之間的黑洞，這個質量差距就灰飛煙滅了。目前，LIGO正在升級，相信它在升級之後，就能勝任這一工作。

重新理解超新星

當涉及到最大的恆星量級黑洞時，最新的數據中也有驚喜。

目前發現的最大的恆星，其質量是太陽的200多倍。但是理論上，當質量如此之大的恆星死亡時，由於超新星爆炸的威力過於巨大，以至於任何殘核(包括黑洞)都不會留下。

爲什麼會這樣?主要是因爲大質量恆星與較小質量恆星的超新星爆炸機制有所不同。

較小質量恆星到了晚年，一方面外層物質受引力作用，不斷往中心收縮，另一方面中心由核聚變產生的高能伽馬射線靠輻射壓(即光壓，光照射在恆星外層物質上產生的壓力)抵抗着引力。但高能伽馬射線不斷減少(因爲伽馬射線不斷地逃逸。此外，聚變的材料也在不斷耗盡)，當輻射壓抵抗不住引力時，恆星就坍塌了。這過程中釋放出巨大的能量，導致超新星爆發，同時留下一個殘核(白矮星、中子星或黑洞)。

大質量恆星到了晚年，其狀況與較小質量恆星基本相似，稍有不同的是，其內部的溫度和伽馬射線能量都比後者高。在這種情況下，高能伽馬射線不斷地轉化成正反電子對。這樣一來，輻射壓減小了，加劇了外層物質的收縮。收縮之後，內部溫度進一步提高，這又促使更多的伽馬射線轉化爲正反電子對，外層物質又進一步收縮……如此循環，導致失控，最終點燃了超新星。這類超新星比較小質量恆星的超新星威力更大，會在殘核形成之前就把所有恆星物質在爆炸中拋撒一空，什麼都不會留下。

因此理論預言，從超新星爆發中產生的黑洞，無論如何都不應該比45倍太陽質量更重。但LIGO探測到的黑洞中，就有超過60倍太陽質量的。如果這個黑洞不是通過合併成長起來的，那隻能說，天文學家對於超新星的理解有誤。

探測另一類型的引力波

利用引力波來研究超大質量黑洞的同時，我們還可以瞭解更多關於宇宙歷史的信息。

今天，幾乎每個大型星系的中心都坐着一個超大質量黑洞。考慮到大型星系往往都是由較小星系合併而來的，超大質量黑洞爲了達到它們現在的規模，盤踞在較小星系中心的超大質量黑洞必定經歷過相撞和合並。

這樣的相撞會釋放出引力波，但這類事件在我們有生之年十分罕見，而且所發射的引力波，其頻率比我們迄今探測到的引力波頻率低。LIGO式的引力波探測器除非建在太空，否則永遠不會有足夠的敏感度來探測這類黑洞碰撞。

但是還有另一種方法。即使在它們合併之前，環繞的超大質量黑洞也會發出微弱的引力波。單獨來看，這些引力波都是微不足道的，但是多個這樣的引力波合在一起，它們就會在宇宙空間形成一個持續的、微弱的“噪聲”，被稱爲引力波背景。

毫無疑問，引力波背景比目前探測到的引力波信號還要微弱。但也不是完全不可探測。北美納米赫茲引力波觀測站(NANOGrav)就旨在探測這一信號。NANOGrav使用傳統的射電望遠鏡來監測快速旋轉的中子星(即脈衝星)。當脈衝星旋轉時，向太空發出有規律的無線電波束，可以作爲極穩定的時鐘。十年來，NANOGrav一直在爲天空中的幾十顆脈衝星信號計時。脈衝星信號到達地球時的任何微小差異，都可能是引力波背景的漣漪造成的。

大約一年前，NANOGrav的研究人員公佈了對45顆脈衝星跟蹤觀察近13年的數據分析。在其中一顆脈衝星的數據中，他們聲稱看到了可能表明引力波背景存在的跡象。

當然，即使這是一個真實的事件，也不可能反推出任何關於單個超大質量黑洞的信息。但是，天文學家可以在計算機中建立宇宙模型，對每個模型設置不同的超大質量黑洞羣和不同的合併概率，然後看看什麼樣的模型會產生什麼樣的引力波背景信號。通過比較模型和觀測數據，可以幫助我們推斷出很多關於超大質量黑洞的信息。

原始黑洞——暗物質的候選者

最激動人心的前景是，如果計算機模型不能解釋實驗數據，這可能意味着我們將被迫需要在模型中引入另一種類型的黑洞來“平衡賬目”。

在對大爆炸的一些解釋中，在宇宙誕生的最初幾秒鐘，由於物質密度的漲落，有些區域的密度大到一定程度，在引力作用下就直接坍塌成了黑洞。由於漲落的特點是幅度越小，出現的概率越大，所以小質量的微型黑洞應該充斥宇宙。

現在我們還不能確定這些原始黑洞是否存在，或者它們今天是否仍然還存在。如果它們存在，將爲宇宙學中的幾個問題提供了一個優雅的解決方案。其中最吸引人的是，它們可能就是我們夢裡尋他千百度的暗物質——一種維繫星系，使其不致解體的神秘物質。理論家最近的工作表明，從引力波背景中我們應該能夠判斷得出原始黑洞是否存在以及它們的數量。

目前，一部分天文學家正致力於探測引力波背景。如果能探測到，那麼正像首次探測到引力波那樣，宇宙學研究將開啓一個新的篇章。

把引力波探測器建到太空

在地球上探測引力波是一件相當棘手的事情。一個主要原因是，地面上的任何震動，大到遠處的地震，小到實驗室電梯的升降，都會對實驗產生干擾。

這就是爲什麼歐洲航天局計劃把引力波探測器放置到太空去的原因。這項任務被稱爲激光干涉儀空間天線(簡稱LISA)。它的工作原理與地面上的激光干涉儀引力波天文臺相同。LISA計劃從一艘飛船上向另外兩艘飛船發射激光，每艘飛船彼此相距250萬千米。當激光在這些飛船之間傳播時，將記錄下由經過的引力波引起的路徑的微小變化。由於LISA的“臂”遠比LIGO長，又避免了地面震動的干擾，所以它將遠比LIGO靈敏。

歐空局在2015年發射了一個名爲“LISA探路者”的示範任務，取得了成功。這說明LISA的設想是可行的。不過，LISA要到2037年才能發射升空。