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挖掘引力波的化石,能找到被埋藏在黑暗中的宇宙真相吗?

近年来黑洞、引力波当属前沿热点研究。可是人们很容易发现,目前探测到的引力波信号总是来源于双黑洞合并或中子星合并这类极端的天体事件,并未探测到更为常见的双星运动所辐射出的引力波;而更吸引科学家的,甚至可以解释宇宙起源问题的原初引力波也不见踪影,主要原因就在于观测能力的限制。但这没有阻碍科学家的脚步,上天入地,多个引力波探测项目已经起航。或许不久的将来,我们就能了解更多的宇宙信息,甚至拿下物理学圣杯——量子引力。
 
撰文 | 董唯元
 
2015年9月,人类首次捕捉到了引力波,LIGO这种巨型干涉仪也随之名声大噪。经过近几年的发展,如今这种臂展数公里,精度达到千分之一质子半径的工程奇迹,已经在全球铺展成LIGO-Virgo网络。美国境内的LIGO Hanford和LIGO Livingston,意大利境内的Virgo、德国境内的GEO600,这几处站点目前均已完成建设并已互联组网。未来LIGO-Virgo网络还将纳入日本境内正在建设的KAGRA,以及印度境内将规划建设的LIGO India。
全球引力波探测站点丨图源:LIGO-Virgo
 
这些探测装置之所以如此庞大,完全是因为引力波的频率太低、波长太长。就以编号为GW150914的首个实测引力波为例,它的频率只有约150Hz左右,其传播速度是光速,即30万公里/秒,所以波长足有2000公里,相当于地球半径的三分之一。
 
即使拥有数公里的臂展,LIGO这类建造在陆地上的干涉仪也只能探测引力波中频率最高,波长最短的那些部分。这也是为什么如今我们但凡听到引力波,几乎必然联系到黑洞合并或者黑洞吞噬中子星这种较为极端的情况。因为只有这类极端事件,才能在短时间内释放出巨大能量,从而产生出如此高频的引力波。
 
产生GW150914的那次黑洞合并过程中,其瞬间达到的辐射功率峰值,是可观测宇宙中所有发光物质辐射功率总和的十倍。即使如此,当它跨越13亿光年的距离,在2015年掠过地球的时候,只有臂展4公里的LIGO Livingston和LIGO hanford成功探测到了信号,而臂展只有0.6公里的GEO600却未能发现。
位于美国的LIGO Livingston,单侧臂长4公里丨图源:Caltech/MIT/LIGO Lab
 
然而宇宙中这类高能极端事件并不常见,2019年4月至10月LIGO-Virgo火力全开的半年里,一共也只探测到39次,平均大约每两周3次。其中编号为GW190521的引力波,因发现了处于“质量禁区”的黑洞而使LIGO-Virgo再一次成为新闻焦点。(参见 《LIGO-Virgo发现所谓‘不可能’黑洞,黑洞质量禁区真的存在吗?》)
 
LIGO-Virgo的可感频率范围大约在10-1000Hz,这一范围之外还存在着大量频率更低的引力波。比如宇宙中随处可见的双星系统,当他们相互绕行时,就会向外持续辐射引力波。只不过那些引力波的频率都在10Hz以下,波长起码有几万公里,有些低频引力波的波长甚至可以达到光年量级,以LIGO的臂展长度很难探测到。
 
既然地面上的干涉仪尺寸不够,最容易想到的一个办法就是在太空中架设超大型干涉仪。欧洲空间局的LISA计划正是基于这样的思路,该计划是在太空中架起一个三角形的干涉仪。与LIGO这样的地基干涉仪相比,LISA计划的天基干涉仪工作原理并无二致,主要区别就是尺度要大得多。
LISA计划示意图丨图源:维基百科
 
LISA计划发射三颗人造卫星,其实应该说是“人造行星”,因为这三个设备并不是绕地球运动,而是跟随地球一起绕太阳运动。起初的规划中,三个设备相互距离500万公里,后来缩小为250万公里。即便如此,这个距离仍是地月距离的6.6倍,激光从一个设备走到另一个的时间超过8秒。
 
这个巨大的天基干涉仪预计将在2034年开始工作,可以探测10-1-10-6Hz频率范围内的引力波。在这个频段,就可以对一些宇宙中大质量双星系统的日常行为进行持续“跟踪”,而不再像LIGO那样只守株待兔地等着宇宙中偶发的大型碰撞事故。
天基干涉仪探测引力波的原理示意图丨图源:维基百科
 
对于频率更低的引力波,以目前的技术手段,很难再用简单放大干涉仪尺寸的方式进行探测。除非我们有能力架起比太阳系的柯伊伯带更大的干涉仪,否则想探测那些波长在光年量级的引力波,就得另辟蹊径。
 
不过这难不倒机智的科学家们,他们居然在宇宙中找到了一种天然工具,可以用来探测频率在10-6-10-9Hz范围内的引力波。这种天然工具就是那些宇宙中自转周期在毫秒量级的脉冲星,而利用这些脉冲星进行探测的方式就是PTA(Pulsar Timing Array,脉冲星计时阵列)。
脉冲星计时阵列工作原理丨图源:Astrobites
 
那些由高速自转的脉冲星所发出的电磁波,像灯塔的灯光一样以固定的频率扫过地球,在地球上观察到的脉冲周期相当稳定。然而当有引力波经过时,电磁波的路径行程会受到影响,所以在地球上观察到的脉冲周期也就会出现细微变化,而且这种变化本身具有一定周期性。
 
比如,当我们察觉到一颗原本周期为5毫秒的脉冲星,在2010年的脉冲周期最小,比正常值降低了20纳秒;而在2020年的脉冲周期又达到最大,比正常值升高了20纳秒,那么我们就可以推测出,在脉冲信号的路径上,掠过了频率为10-9Hz(10年震动一次)的引力波。
 
当然如果我们只盯住一颗脉冲星测量的话,即使探测到这种变化,也无从知晓引力波来自哪里又去向何方,所以需要在不同方位同时观测多颗脉冲星,才有可能分析出这种低频引力波的大致传播样貌。
 
最早的PTA数据采集已经于2005开始,当时只有位于澳大利亚新南威尔士的Parkes射电望远镜跟踪观测,后来欧洲和北美也都陆续开始了PTA观测和数据收集。不过由于PTA需要在数十年的时间跨度内进行数据分析比较,目前还尚未有较为明确直接的引力波记录公布。
引力波波谱及其探测手段丨图源:Caltech
 
无论每秒振动上百次的高频引力波,还是若干年才震动一次的低频引力波,都还是引力波“活体”。而在宇宙微波背景辐射中,还冻结着一种几乎完全不振动的特殊引力波。或者说这种引力波的波长达到了可观宇宙的尺度,其振动周期与宇宙的年龄在同一量级。这些引力波是宇宙刚诞生时由暴胀过程所产生的一种充满空间的引力波,所以被称为“原初引力波”。
 
根据暴胀理论,宇宙创生之后从10-36秒到10-32秒这段时间曾经历过极快速的暴胀期,正是这个暴胀过程从理论上漂亮的解释了宇宙学的很多疑难问题,已是今天宇宙学框架中不可或缺的顶梁柱,但模型理论本身却依然面临诸多挑战。由于尚未找到“宇宙为什么会暴胀”的合理答案,学界对这个模型一直存在争议。如果能够通过观测发现“原初引力波”,相当于找到了暴胀过程确曾存在的铁证,对宇宙暴胀之谜的破解无疑将有极为重要帮助。
 
探测原初引力波的原理和方式,与LIGO、LISA或PTA有根本性的不同。由于暴胀过程中,整个时空都以超光速拉伸,引力波作为时空本身的涟漪,传播速度仅为光速,所以原初引力波实际上无法畅快的四处传播,而是被牢牢地封印在宇宙的时空背景之中。如果说LIGO、LISA和PTA所探测的是活体的引力波,那么探寻原初引力波的工作则更像挖掘古老引力波的化石。
2018年由普朗克卫星所拍摄的宇宙微波背景辐射偏振分布情况,黑色短线方向代表偏振方向,长度代表偏振幅度,背景颜色代表温度分布丨图源:ESA
 
那些原初引力波的化石就隐藏在遍布宇宙各处的2.7K微波背景辐射之中,更确切地说,是蕴含在背景辐射的偏振谱中。然而从复杂的偏振谱中,准确找出归属“原初引力波”的贡献成分并非易事。在美国阿蒙森-斯科特南极站(Amundsen–Scott)的 BICEP小组(Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization,宇宙泛星系偏振背景成像),就是专门从事原初引力波的探测。
 
宇宙微波背景辐射中的偏振谱包含“E-模式”和“B-模式”两大部分,这里的E和B是借用电磁场中的电场强度E和磁场强度B来比喻,前者代表无旋度场,后者代表无散度场。
 
其中“E-模式”强度较大,相对容易探测,早在2002年就已经被美国国家科学基金在南极设立的观测站DASI成功探测到。可惜“E-模式”偏振并不能证明原初引力波的存在,那些只是早期宇宙等离子浓汤中发生汤姆逊散射的自然结果。
 
另一方面,“B-模式”成分也不能直接断定原初引力波的存在,因为在引力透镜作用下,“E-模式”也可以变形成“B-模式”。2014年3月,美国阿蒙森-斯科特南极站的BICEP二代望远镜曾宣称找到了归属原初引力波的“B-模式”偏振谱。不过很快就有研究者对数据结果提出质疑,半年后,ESA的普朗克卫星收集了足够数据,证明这些“B-模式”成分都是由银河系内的尘埃造成的假象。
 
此后BICEP项目组对数据结论更为谨慎,设备也屡次更新升级。2020年10月底,这个项目组的成员克服了疫情困难,又完成了观测设备的最新一次升级。
位于南极的BICEP观测站丨图源:维基百科
 
我国的原初引力波探测工作由中国科学院高能物理研究所主导,于2016年启动,计划在青藏高原建设世界上海拔最高的观测站。由于选址在海拔5250米的西藏阿里地区,所以这个计划被命名为“阿里计划”,基座部分已经在2019年完成。
2019年建成的阿里原初引力波观测站基座部分丨图源:中科院高能所
 
对原初引力波的研究,其意义远不止于验证暴胀理论模型是否正确,更是帮助我们认识极早期宇宙的关键信息来源。在宇宙大爆炸过程中,原初引力波的产生几乎早于其他任何能量形式,早在电弱作用融合一体、物质与辐射尚未分离的时候就已经存在。所以原初引力波当属这个宇宙里阅历最丰富,见识最广博的角色,那些早期的经历都已被原初引力波小心地记录下来。
 
在起初数万年密不透光的“宇宙黑暗时期”,全宇宙的样貌数次巨变。等到“黑暗时期”结束,第一缕光可以从容射向远方,我们从微波背景辐射中所能够看到的,只是宇宙38万岁的样子。幸好原初引力波在这张照片中悄悄留下了自10-32秒甚至更早时间开始,直至宇宙38万岁的所有印记,才使我们有机会借机认识更早期那些被埋藏在黑暗中的真相。
宇宙暴胀过程产生的引力波使微波背景辐射带有偏振特性丨图源:维基百科
 
如果有朝一日能够解读其中奥秘,不仅可以帮助我们认识宇宙的产生和演化机制,而且鉴于早期宇宙的极端条件环境,原初引力波更能直接引领我们深入认识对称性破缺、希格斯机制等基础物理问题,乃至指引物理学的最高圣杯——量子引力的可能方向。



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