9月26日，廣東省中山大學(xué)珠海校區(qū)發(fā)生了一件大事：國(guó)家航天局引力波研究中心在這里正式揭牌成立。引力波是當(dāng)今世界最尖端的天體物理學(xué)研究方向之一，也是揭示宇宙最極端天體秘密的重要手段。

（圖片說(shuō)明：國(guó)家航天局引力波研究中心揭牌成立）

那么，引力波到底是什么？它到底有多重要呢？今天，咱們就來(lái)介紹一下。

引力波

1915年，愛(ài)因斯坦提出了著名的廣義相對(duì)論，告訴我們引力不過(guò)是時(shí)空扭曲的結(jié)果，一個(gè)物體的質(zhì)量越大，形成的時(shí)空曲率就越大。當(dāng)這個(gè)物體在時(shí)空中運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)不斷地改變瞬時(shí)位置的時(shí)空曲率，從而形成時(shí)空的漣漪，以光速傳播到宇宙空間。

理論上來(lái)說(shuō)，任何有質(zhì)量的物體都會(huì)引起時(shí)空漣漪。但從實(shí)際上講，即便是極其巨大的天體，引起的時(shí)空漣漪都非常微弱。甚至有的時(shí)候，需要兩種巨大的天體發(fā)生碰撞所產(chǎn)生的波動(dòng)，才能被我們發(fā)現(xiàn)。

（圖片說(shuō)明：愛(ài)因斯坦預(yù)言了引力波）

在解釋引力波的時(shí)候，我喜歡舉一個(gè)例子：一個(gè)湖的中心泊著兩條小船，由于湖太大，岸邊的人是看不見(jiàn)船的，也很難看見(jiàn)船在水面壓下去的凹陷。但是，當(dāng)這兩艘小船撞在一起時(shí)，就會(huì)掀起比較大的漣漪，這種漣漪傳播到岸邊，雖然也已經(jīng)極其微弱了，但在足夠精確的設(shè)備面前，還是可以被觀測(cè)到。

這就是引力波，天體本身導(dǎo)致的時(shí)空扭曲，如果沒(méi)有物質(zhì)圍繞它公轉(zhuǎn)，我們就很難觀測(cè)到。相比之下，如果是兩個(gè)天體碰撞產(chǎn)生的時(shí)空漣漪，還是有機(jī)會(huì)被我們捕獲的。不過(guò)，即使是這樣的情況下，天體本身也要足夠大，也就是需要兩顆致密星，即白矮星、中子星或者黑洞之間的碰撞。

（圖片說(shuō)明：引力波動(dòng)畫(huà)）

宇宙時(shí)空的漣漪

2015年9月14日，科學(xué)家們首次在宇宙中探測(cè)到引力波信號(hào)。他們非常興奮，隨即進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：這個(gè)引力波來(lái)自于13億光年外，也就是說(shuō)，它形成于13億年前。產(chǎn)生這個(gè)引力波的是兩個(gè)黑洞，它們?cè)诿ＣＳ钪嬷邢嘤?，在漫長(zhǎng)的歲月里相互旋轉(zhuǎn)，螺旋式靠近，最終碰撞在一起，形成了強(qiáng)烈的時(shí)空漣漪，最終被我們觀測(cè)到，并被命名為GW150914。

在愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論的整整100年后，關(guān)于引力波的預(yù)言終于得到了證實(shí)。2016年2月，科學(xué)家們正式對(duì)外宣布了這一重大發(fā)現(xiàn)。自此以后，陸續(xù)又有許多引力波事件被發(fā)現(xiàn)，其中不僅包含了雙黑洞并合，還有雙中子星的碰撞、黑洞吞噬中子星、甚至還有雙白矮星的碰撞。

（圖片說(shuō)明：雙黑洞并合）

引力波的發(fā)現(xiàn)，可以說(shuō)是為天體物理學(xué)研究打開(kāi)了一扇新的大門(mén)。致密星是宇宙中最極端的天體，它們之間的碰撞是宇宙中最極端的事件，而引力波就能向我們展示這里蘊(yùn)藏的秘密。

而且，引力波的一些特性非常重要，是它成為人類觀測(cè)宇宙的重要工具的關(guān)鍵原因。它不需要周圍有任何物質(zhì)，所以有些不會(huì)釋放電磁波的現(xiàn)象只能通過(guò)引力波來(lái)研究；而且引力波幾乎不會(huì)被天體阻擋，所以可以穿越茫茫的宇宙，給我們傳遞信息。

可以說(shuō)在今天，引力波是研究宇宙天體的最重要工具之一。為了更好地揭示宇宙的秘密，世界各國(guó)競(jìng)相發(fā)展引力波探測(cè)技術(shù)。那么，人類到底是如何探測(cè)引力波的呢？

（圖片說(shuō)明：激光干涉儀引力波天文臺(tái)）

引力波探測(cè)

說(shuō)起來(lái)，引力波探測(cè)的原理并不難理解。

首先，我們需要建造兩個(gè)長(zhǎng)度相等、相互垂直、呈L形放置的管道，并在交叉點(diǎn)放置一臺(tái)激光器。發(fā)射出來(lái)的激光通過(guò)分光器射到兩個(gè)管道的盡頭，在這里反射回來(lái)，重新匯聚并發(fā)生干涉。

（圖片說(shuō)明：意大利的室女座干涉儀）

如果沒(méi)有引力波，那么它們傳播的距離就是相等的，干涉后的結(jié)果是相互抵消。如果有引力波經(jīng)過(guò)，那么就會(huì)導(dǎo)致時(shí)空發(fā)生扭曲，兩束激光經(jīng)過(guò)的長(zhǎng)度就不相等了，這就會(huì)導(dǎo)致干涉圖樣發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)干涉圖樣的分析，就可以發(fā)現(xiàn)引力波，并獲取該事件的一些細(xì)節(jié)。

目前世界上最先進(jìn)的引力波實(shí)驗(yàn)有兩個(gè)，一個(gè)是位于美國(guó)的激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）并在升級(jí)后改造為Advanced LIGO，簡(jiǎn)稱ALIGO；另一個(gè)是位于意大利的室女座干涉儀（Virgo）。人類首次發(fā)現(xiàn)的引力波事件GW150914，就是這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)共同發(fā)現(xiàn)的。

（圖片說(shuō)明：激光干涉空間天線）

除此之外，美國(guó)還在積極推進(jìn)天基引力波實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，那就是激光干涉空間天線（LISA）。根據(jù)美國(guó)宇航局的消息，LISA的組建預(yù)計(jì)在2034年完成。

考慮到引力波探測(cè)如此重要，逐漸成長(zhǎng)為世界天文強(qiáng)國(guó)的我們自然也不甘落后，提出了自己的引力波探測(cè)計(jì)劃。雖然目前還沒(méi)有完全建成，但未來(lái)將會(huì)和其他國(guó)家分庭抗禮。

我國(guó)的引力波探測(cè)計(jì)劃

（圖片說(shuō)明：國(guó)家航天局副局長(zhǎng)吳艷華與中山大學(xué)校長(zhǎng)、國(guó)家航天局引力波研究中心主任羅俊院士為中心揭牌）

實(shí)際上，我國(guó)不止有一個(gè)引力波探測(cè)計(jì)劃。

• 太極計(jì)劃

早在2008年，中科院力學(xué)所國(guó)家微重力實(shí)驗(yàn)室胡文瑞院士就號(hào)召成立了中科院空間引力波探測(cè)工作組。2016年，他和吳岳良院士又支持了空間太極計(jì)劃，計(jì)劃在2033年的時(shí)候發(fā)射三顆衛(wèi)星來(lái)進(jìn)行引力波探測(cè)，而且在2019年8月31日就已經(jīng)發(fā)射了“太極一號(hào)”衛(wèi)星。

（圖片說(shuō)明：太極計(jì)劃示意圖）

• 阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃

中科院高能物理研究所還提出過(guò)一個(gè)阿里實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，旨在通過(guò)建設(shè)與西藏阿里地區(qū)的一臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)引力波的探測(cè)，目前該計(jì)劃還在預(yù)研階段。

• 天琴計(jì)劃

（圖片說(shuō)明：天琴計(jì)劃超靜實(shí)驗(yàn)室）

而這一次在中山大學(xué)珠海校區(qū)成立的國(guó)家航天局引力波研究中心，就是由中山大學(xué)校長(zhǎng)羅俊在2014年提出的天琴計(jì)劃——不得不說(shuō)，光是這個(gè)名字就已經(jīng)相當(dāng)漂亮了，致密星真的就像是琴弦一樣在時(shí)空中波動(dòng)漣漪，天琴兩個(gè)字又頗有中國(guó)古風(fēng)，這名字簡(jiǎn)直絕了。

說(shuō)起來(lái)，和太極計(jì)劃以及美國(guó)的LISA一樣，天琴計(jì)劃也是天基引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)計(jì)劃，我們需要發(fā)射三顆天琴衛(wèi)星，在距離地表10萬(wàn)公里的高空組建一個(gè)等邊三角形。

（圖片說(shuō)明：天琴一號(hào)衛(wèi)星）

2015年，天琴計(jì)劃在中山大學(xué)被正式發(fā)起，彼時(shí)距離人類首次接收到引力波還有2個(gè)月。在2019年12月20日，試驗(yàn)星“天琴一號(hào)”正式發(fā)射升空。2020年6月，位于中山大學(xué)珠海校區(qū)內(nèi)“天琴計(jì)劃”山洞長(zhǎng)達(dá)1108米的超靜實(shí)驗(yàn)室隧道全線貫通，該項(xiàng)目的科研設(shè)備都將集中在這里，科學(xué)家們會(huì)在這里進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

根據(jù)計(jì)劃，“天琴二號(hào)”衛(wèi)星將在2025年發(fā)射升空，天琴計(jì)劃正式完成組網(wǎng)的時(shí)間大約在2035年，和美國(guó)的LISA差不多。但是從探測(cè)波段來(lái)講，它是LISA的10倍左右。它可以持續(xù)觀測(cè)低頻段的連續(xù)型引力波進(jìn)行探測(cè)，這是目前的LIGO和未來(lái)的LISA力所不能及的。

（圖片說(shuō)明：天琴衛(wèi)星）

總之，到天琴計(jì)劃組建完成的那一天，它很有可能將是當(dāng)時(shí)世界上最強(qiáng)大的引力波探測(cè)天文臺(tái)。相信到那個(gè)時(shí)候，我國(guó)的天文學(xué)，也已經(jīng)走在世界的前列了。