引力波天文学 – 星明天文台

作者|高孟嘉

审核|黄坚、邹乾一

编辑|王启元

2015年9月14日，美国的激光干涉引力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory，LIGO)观测到了首例双黑洞合并事件GW150914，这也是人类认证的第一个引力波事件，从而打开了人类认识宇宙的全新的一页，使天文学迈进了引力波天体物理学的新纪元。这一国际项目的3位主要成员凭借这一发现获得了2017年诺贝尔物理学奖。

2017年诺贝尔物理学奖（图片来源于诺贝尔奖官网）

2017年8月17日，美国的激光干涉引力波天文台LIGO和意大利的室女座引力波天文台Virgo联合发现了双中子星并合引力波事件GW 170817，该事件是人类首次观测到的双中子星并合引力波事件，在天文学以及物理学发展史上具有划时代的意义。而国际引力波电磁对应体观测联盟也确定了该引力波事件的电磁对应体，正式开启了多信使引力波天文学时代。

LIGO工作原理（图片来源于诺贝尔奖官网）

LIGO探测器主要由两部分组成，分别位于美国华盛顿州和路易斯安那州，每部探测器都由两条互相垂直的隧道组成，每条隧道长达4千米。在探测器工作时，激光沿着隧道传播，碰到隧道尽头的反射镜后反射回来，双臂反射后产生的光互相干涉。当引力波经过时，会非常轻微地对探测器的双臂产生影响，光波的同步性就会发生变化，它们的干涉结果也会随之改变，通过对此变化的捕捉，从而达到探测的目的。截止2020年3月底，LIGO等探测器已先后完成3次运行，累计发现引力波信号90余例，之后LIGO等探测器进入升级维护阶段，第四次运行计划今年开启，相信它会再次给我们带来许多意想不到的新发现。

两组LIGO探测器（图片来源于诺贝尔奖官网）

自2015年以来LIGO等探测器发现的引力波信号（图片来源于LIGO）

引力波是爱因斯坦“广义相对论”最重要的预言之一，该理论认为，当物质发生相对运动或物质体系的质量分布发生变化时，体系就会发出引力辐射。引力场的扰动在时空中传播出去，就像水池中水的扰动向外传播的波纹一样，这种弯曲时空中的涟漪就是引力波。

天文学的研究是基于对天体辐射的探测。根据被测辐射类型的不同，天文学可分为电磁辐射天文学、宇宙线天文学、中微子天文学和引力波天文学。虽然电磁辐射天文学仍是当代天文学的主流，但随着科学技术的发展，引力波天文学作为一门新兴科学，其地位和作用不容小觑。

引力波的产生（图片来源于现代物理知识）

引力波不仅可以提供电磁辐射不能携带的信息，让我们探测到无法用电磁辐射探测或不具有电磁辐射的天体，为我们描绘出与传统天文学给出的完全不同的宇宙图像；又具有不被吸收、不被散射、不被屏蔽的性质，大大扩宽了人类的观测领域。通过对引力波的探测，我们可以“看清”天体源深处、高密度部分所发生的物理过程；也可以对超新星爆发﹑星体碰撞﹑双星并合﹑脉冲星转动、黑洞扰动等宇宙中剧烈的天文过程进行观测。除此之外，对引力波的探测甚至可以为探寻宇宙最早状态提供帮助。

随着引力波在现代天文学中的地位越来越高，各国对引力波的探测计划也如雨后春笋。我国的天琴计划、太极计划都是针对引力波的空间探测方案。以中山大学提出的天琴计划为例，预期于2035年前后在约10万公里高的地球轨道上，部署三颗全同卫星构成边长约为17万公里的等边三角形星座，建成空间引力波天文台，开展引力波的空间探测。

天琴计划示意图（图片来源于天琴中心）

2022年1月27日，中国科学技术大学天文学家蒋凝副教授团队根据究员团队根据兹威基暂现源巡天项目(ZTF)对SDSSJ143016.05+230344.4星系（也称PGC 214276星系）的观测记录，在arXiv上提交了一篇论文。论文指出：此星系的活动星系核（AGN）的可能是由两个超大质量黑洞组成的。在过去3年的时间里，它们的光变周期由1年左右逐渐缩减至1个月左右，按此趋势它们将在未来100天-3年内合并。这是国际上首次预测超大质量黑洞即将合并，但该论文尚未经过同行评审，许多天文学家认为，仍然缺乏足够的观测数据支持蒋凝副研究员团队的预测。倘若这个距离地球12亿光年的合并事件按时发生，那又将是多信使天文学特别是引力波天文学的盛宴。那将会产生频率非常低的引力波辐射，这是确定的，虽然计划在今年重启的LIGO等探测器无法观测到如此低频的引力波信号，但多年后我们可通过其他方式探测到这些引力波在时空中留下的印记。除此之外，超大质量黑洞合并也可能会在整个电磁波段产生强烈爆发，从伽马射线到可见光到射电波段；地球上的探测器也可能会接收到大量中微子，这些是不确定的。

一对超大质量黑洞即将合并示意图（图片来源于NASA戈达德太空飞行中心）

参考资料：

（1）2017诺贝尔物理学奖，诺贝尔奖，https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2017/summary/

（2）宇宙啁啾，诺贝尔奖，https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2017/popular-information/

（3）天琴计划，天琴中心，https://tianqin.sysu.edu.cn/zh-hans/about

（4）乔琦.引力波天文学的新浪潮，世界科学, 2021(08):10-12.

（5）“空间引力波探测”简介[J].中国光学,2019,12(03):419-420.

（6）朱宗宏,高鹤,曹周键.引力波天文学专题，中国科学:物理学力学天文学, 2018,48(07):5.

（7）刘见,王刚,胡一鸣,张腾,罗子人,王晴岚,邵立晶.首例引力波探测事件GW150914与引力波天文学, 科学通报, 2016,61(14):1502-1524.

（8）曹周键.引力波探测和引力波天文学, 现代物理知识, 2015,27(05):40-44.

（9）王运永,朱宗宏,R.迪萨沃.引力波天文学:一个观测宇宙的新窗口, 现代物理知识, 2013,25(04):25-34.

（10）Tick-Tock: The Imminent Merger of a Supermassive Black Hole Binary，https://arxiv.org/abs/2201.11633

（11）Crash of the titans: imminent merger of giant black holes predicted, https://www.science.org/content/article/crash-titans-imminent-merger-giant-black-holes-predicted

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