天文学超大事件：超大引力波！捕获！

2023-07-05 14:50:25 来源：科普中国小 中

美国著名理论物理学家基普·索恩在发布会现场。图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷星云和脉冲星的太空景观。图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷

(资料图片)

天体物理学有大发现的传言已经在坊间流传数天，6月30日终于水落石出：包括中国科学家在内的多国科学团队同时发表了一系列论文，宣布我们找到了宇宙背景引力波的证据。通向宇宙秘密的道路，又开启了新的一条。

什么是引力波？

石头扔到水里会产生水波，电子加速起来会产生电磁波，引力波也是同样的道理：一个具有质量、能产生引力的物体发生加速运动的时候所产生的波。很遗憾，引力作为一种力实在是太小了，小到一整个地球产生的引力都可能敌不过你的几块肌肉——把你的手机从桌子上拿起来，就是你的肌肉胜利的证明。而引力波更是微小到离谱，对我们的日常生活完全无法产生任何影响。

这也就不难理解了，为什么19世纪的科学家就预言了引力波的存在，但此后的一百多年里，人们根本无法探测到它。直到1974年，我们才间接观察到引力波，而直接确认引力波的真正存在，已经是21世纪的事情了。

引力波不是旧闻了吗？

2015年人类第一次直接观察到了“引力波本波”。这一发现赢得了2017年的诺贝尔物理学奖。后来，科学家又检测到了好几次引力波，也都上了新闻。不过，之前的那几次和这次有一点不同：那几次都是“小”波，是中小型黑洞碰撞融合产生的。这一次是大家伙！

其实，说之前“小”也不是非常公平。2015年那次观察到的两个黑洞，一个是太阳的36倍，另一个是太阳的29倍，以人类的尺度来说，已经大到难以想象了。可就算是这么大的两个天体，产生的引力波也只能让4千米长的探测器伸缩千分之一个质子那么大点而已。

但中小型黑洞的碰撞有一个好处，那就是它发出的引力波是高频的，比较“尖细”，只需要区区几千米的“小”探测器就能检测到。如果是更大规模的引力变化，比如超巨大黑洞、大爆炸回响什么的，发出的引力波是低频的，比较“低沉”，那就需要超长的探测器——整个地球甚至整个太阳系都摆不下的那种。

整个地球都装不下，那人类怎么可能造得出来呢？其实没事儿，物理学家和天文学家经常遇到这种问题。他们非常擅长把自然界已经存在的超巨大物体变成探测器的一部分。这回，他们用的是天上的星星。

跨越虚空的群星之尺

1967年，英国天体物理学家约瑟琳·贝尔还只是一个研究生。但这一年，她发现了一种奇怪的天体，它会非常稳定地发射有规律的电磁波。有些科学家开玩笑说这可能是外星人给地球发射的信号。所以，她和她的同事给这个天体起了个外号叫“小绿人1号”。后续的研究很快证明这是纯粹天然的现象，无需智慧生命的参与。

这种电磁波信号每隔一段固定时间就出现然后消失，像脉搏一样，无线电传统管这样不连续的信号叫“脉冲”，所以发射这个信号的天体，就得名为脉冲星。脉冲星的发现后来得到了诺贝尔奖。（但贝尔本人却没有获奖，这是诺奖历史上对女科学家不公正的著名案例之一）

脉冲星中的引力波爆发。图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷

现在我们知道，脉冲星是中子星的一种，换句话说是“死掉的星星的尸体”。脉冲星发射出来的电磁波本身是连续的而不是脉冲的，但是它的电磁波只向自己的两极发射，同时它又在高速旋转，所以只有它的电磁波扫过地球的时候我们才能看见。从地球上看它，就像在大海上看灯塔的光一样，隔一段时间就闪烁一次。道理上讲，闪烁的间隔对应它旋转的间隔，应该是完全规律的——实际上，它的电磁波在抵达地球的路上会受到各种小干扰，所以能观察到微小的不规律。

科学家盯上的，就是这个规律里藏着的不规律。

引力波是空间本身传递的波，当它改变探测器的长度时，改变的其实不是探测器本身，而是探测器所属的空间。如果脉冲星的信号在来地球的路上遇到了引力波，它的路途本身就会因为引力波而变长或者变短，花的时间也会因此而变化。通过观察这个变化，我们就等于是把我们和脉冲星之间的全部空间，都变成了引力波的探测器。

当然，这事儿说起来容易做起来难。能干扰脉冲星信号的除了引力波，还有很多别的因素，需要一一排除掉。而且引力波的影响极为微小，引发的周期变化也许只有1微秒，需要非常精密的仪器。所以世界各国的科学家联手探测了二十多年，才得到了这次的结果。

引力波的摇曳海洋

这次发现的并不仅仅是单一的引力波事件，而是全世界的数据大成，来自北美、欧洲、澳大利亚、印度、日本，当然还有中国的全球研究者共同汇报了无数望远镜的观测结果。这一结果支持了早已有之的猜想：宇宙沉浸在引力波的背景之中，每一个地方都有久远的低频引力波在震荡。

打个比方说：地球像一艘小船，漂泊在宇宙引力波的汪洋大海里，之前几年我们探测到了船体的震动，证明这大海里存在波浪。但现在我们终于能探出头来望向大海，亲眼看到了遍布海面的浪花。

不过这也带来了众多新的问题，比如说，我们并不确定这些低频引力波来自于什么事件。

这也没办法，宇宙里奇怪的东西太多了。两个超巨大黑洞的碰撞看起来是最可能的原因，但还有很多其他可能的原因。也许是宇宙膨胀时的波纹？也许是早期宇宙相变留下的痕迹？也许是空间里的缺陷网络？关于宇宙的大尺度结构我们还有很多不知道的东西。

但也正因此，观察低频引力波背景才是这么刺激的一件事：它给很多未知的宇宙事件打开了大门。

此外，这些结果的质量并没有都抵达物理学的“金标准”。现代物理学的惯例要求一个结果要抵达“5σ”——也就是一种新现象纯属巧合的概率低于百万分之一——才能当作“实锤”来看待。本次发表的结果并没有都满足这一要求。

以最严格的措辞而言，应该说本次发现“找到了符合引力波背景的证据”而不是“探测到了引力波背景”。但是，更多的探测和数据分析还在进行中，大多数人都相信这个方法很快就能获得无可辩驳的5σ级别证据。

和宇宙相比，人类的感官所能覆盖的范围实在太过渺小。百万年前一个人仰望星空时看到的或许超越了全部的人类体验，但放在整个物质世界里，他的所见连沧海一粟都不如。后来，人类发明了望远镜、无线电、光谱仪，宇宙的侧面被一一揭开，但总有更多的秘密隐藏在人类感知不到的黑暗里。引力波的探测是百万年来无数新开启大门里最新的一扇，而引力波背景，则是它最新的里程碑。

路，还在延续。

作者：范岗演化生物学博士生

审核：余恒北京师范大学天文系副教授

策划编辑：徐来

责任编辑：徐来

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