望遠鏡是眼睛的延伸

千百年來，人類一直是在用眼睛或眼睛的延伸（望遠鏡）來“看”宇宙。古人用肉眼就可以看到日月星辰和銀河系。后來，伽利略發明了望遠鏡，使得人類可以用更強大的“眼睛”去觀測宇宙。我們人眼看到的可見光只是電磁波一個非常窄的波段，在可見光之外有更長的長波如紅外，微波和射電波及更短的短波如紫外，X射線和伽馬射線。人們于是在這些波段建造了更強大的望遠鏡對宇宙進行全面觀測。然而，所有這些觀測都是用光子信使來傳遞信息的。

傳遞宇宙信息的其它信使

我們知道宇宙有四大相互作用。光子是電磁相互作用的傳播媒介。除了電磁相互作用以外，還有三種相互作用，分別是弱相互作用，強相互作用和引力相互作用。弱作用和強作用是短程力，其傳遞媒介不能夠傳播很遠，但它們的產物，即中微子和宇宙線，卻能夠從遙遠的天體到達我們。這兩種宇宙信使由于時間關系我們今天不做介紹。

第四種相互作用是引力相互作用。和電磁相互作用一樣，引力是長程力。與引力相對應的波動是引力波。這是一種非常微弱的波動。人類歷史上最偉大的物理學家愛因斯坦在1915年提出了著名的廣義相對論。引力波是廣義相對論的預言。整整一百年之后，也就是在2015年，人類才首次探測到了引力波。

奇妙的愛因斯坦場方程和引力波

聽說做科普報告的時候，如果寫一個公式，有一半的觀眾就會走掉，但是我還是要硬著頭皮寫下來這個公式。這是因為兩個原因：第一，能來到未來論壇的觀眾不是一般觀眾；第二，這個公式太漂亮了，不得不把它介紹給大家。這就是著名的愛因斯坦場方程。

愛因斯坦場方程是用來求解時空結構的演化的。愛因斯坦發現所謂“引力”其實可以描述為時空的彎曲。在廣義相對論里其實沒有引力，愛因斯坦場方程只是描述如何把物質和能量（方程的右邊）與時空彎曲（方程的左邊）聯系起來。把方程從左讀到右講的是宇宙中的物質和能量分布如何可以引起時空彎 曲，把方程反過來讀講的是彎曲的時空如何決定物質怎樣運動。這是一個張量方程，全部寫出有16個方程（考慮度規張量的對稱性獨立方程有10個）。數學上非常復雜，但物理上非常簡單。更重要的是，無論你在哪個參照系，比如在地球上，在太空中，在黑洞旁邊，甚至在黑洞里，這個公式都是普適的，唯一不同的是方程的解（所謂時空度規）不同，亦即時空結構不同。

如果只是一個平坦的時空加一點小小的擾動，就像平靜的湖水被微風吹了一下，這個方程就會簡化很多。方程左邊的擾動項可以允許被寫為對時間和空間二階導數之和（時空項符號相反）。這時如果方程右邊取零的話（遠離引力源），方程就簡化為物理學家熟悉的波動方程。這個方程的解就是“引力波”，時空本身的漣漪。

引力波的數學形式和物理意義在今天是顯而易見的，但是愛因斯坦花了20年的時間才說服自己引力波是確實存在的。又過了近30年時間，人們才確信引力波是攜帶能量的，因此是可以探測的。

人類首次探測到引力波

當人們還在討論引力波的概念時，有些人就開始設計一些簡單的實驗去直接探測引力波了。韋伯設計了歷史上第一個引力波探測器并宣稱成功探測到了引力波，但是他的實驗結果后人無法重復，被證明結論是錯誤的。真正意義上開始研制今天使用的激光干涉引力波探測器是從20世紀60年代，也就是廣義相對論發表差不多50年后才開始的。從麻省理工學院韋斯教授討論激光干涉儀概念到2015年9月14日LIGO探測器首次探測到引力波，又過了大約50年。

第一例引力波事件，即GW150914（以探測日期命名），起源于兩個約為35和30個太陽質量的黑洞的并合，最終形成一個約62個太陽質量的大黑洞。從此 人類進入引力波天文學時代。因為引力波是一種全新的信使，可以比喻為一種新的感官。從某種意義上講，人類現在可以用引力波來“聽”宇宙了。

兩年以后，2017年8月17日，LIGO第一次探測到了兩個中子星的并合以及它的多波段電磁輻射對應體。人類第一次可以用引力波和電磁波邊“聽”邊“看”宇宙。

天體的演化及最終產物

在講述宇宙中的引力波源之前，我們先講講宇宙中有哪些天體以及它們如何演化。一個人的一生乃至整個人類歷史在漫長的宇宙演化過程中只是一瞬間，人們無法觀測到一顆恒星從生到死的演化。然而通過觀測許多處于不同演化階段的恒星并利用普適的物理規律，天體物理學家們能夠理解天體的演化。

歸根到底，理解天體演化就是理解各種天體如何抗衡引力。任何有質量的東西都有引力，引力的目的就是把所有東西都相互吸引，聚集起來，最后變成黑洞。宇宙中除黑洞外的所有星體都有某種機制抗衡引力，比如我們的太陽由熱核反應產生的熱壓強可以抵御引力。假如有一天太陽核燃料燒盡了，太陽中心就會由于不能抗衡引力而坍縮。

天體引力坍縮的最終結局與它的初始質量有關。如果質量不是很大，比如像太陽，最后會產生白矮星（WD），一種由所謂電子簡并壓抵御引力的天體。 這種天體把太陽質量大小的東西擠進了地球大小的尺度。如果恒星的初始質量再大一點，坍縮后的天體超過1.4個太陽質量左右，最終的產物比白矮星要小的多，半徑10公里左右，只有一個小城市大小。這種產物由所謂中子簡并壓抵御引力，叫中子星（NS）。大家知道，所有原子都是由原子核和帶負電的電子構 成的，原子核由帶正電的質子和不帶電的中子組成。形象地理解，當引力足夠強時，所有的電子都被擠進原子核里與質子結合為中子，所以中子星基本上由 中子組成。

如果天體的質量再大，中心質量超過某個質量上限的話（介于2到3倍太 陽質量之間），沒有任何機制可以抗衡引力，該天體就形成了黑洞（BH）。

黑洞是宇宙中最神秘也是最簡單的天體。它的引力足夠強，以至于宇宙中傳播速度最快的光都無法逃離。它的尺度，所謂的史瓦西半徑，可以用以上簡單公式描述，其中G是萬有引力常數，c是光速。對于任何質量的東西，只要能把全部物質擠進這個尺度半徑的球體內，就會變成黑洞。這是個很小的尺度，對于太陽來說，要把它擠進半徑為3公里的球體里才可以成為黑洞。地球要變成黑洞需要被擠進半徑小于1厘米的球才可以。在天體物理中通過恒星演化不可能產生低于2倍太陽質量的黑洞。

猛烈的宇宙

宇宙看似平靜，但其實是猛烈的。恒星演化產生的致密天體，包括黑洞和中子星，是宇宙中劇烈活動的天體源（如下圖所示）。單個中子星快速旋轉會由于燈塔效應產生射電脈沖，一些與中子星有關的天體會發射短暫且明亮的快速射電暴，在雙星中的中子星會從伴星吸積物質發生X射線爆發，一些極強磁場的中子星會由于此活動產生軟伽馬射線爆發。

大質量恒星死亡會伴隨超新星爆發現象，有些極端的超新星還會伴隨伽馬射線暴。星系中心的大質量黑洞由于突然吞噬大量物質會產生多波段爆發。兩個黑洞，兩個中子星，或一個中子星一個黑洞在并合的時候也會伴隨著包括引力波在內的劇烈的觀測現象。

哪些天體輻射強引力波

什么樣的天體是強引力波輻射源呢？要回答這個問題需要從引力波輻射的原理說起。我們知道我們熟悉的電磁輻射是所謂的偶極輻射，當一個電荷加速時就能產生輻射。引力波是由運動的質量引起的，因為質量沒有正負之分，引力波輻射是所謂的四級輻射。換句話來說，不僅質量需要加速，加速度本身也要有加速度（隨時間變化）才能輻射引力波。聽起來比較難實現，實際上所有相互繞轉的天體都自然而然是引力波源。為什么？因為在繞轉的過程中，它們的加速度方向亦即萬有引力的方向都在隨時間不斷變化，所以所有的雙星都能產生引力波。

關鍵是大部分雙星產生的引力波太弱了。簡單起見我們可以考慮兩個相同質量的天體相互繞轉，其引力波輻射功率（或引力波光度）可以寫作如下簡單公式：

我們可以先不考慮f（e），因為如果軌道近圓的話它基本等于1。可以看出，引力波光度決定于一個由基本常數決定的量（光速的5次方除以引力常數）和一個（rs/ a）^5因子的乘積，其中rs就是前面提到的史瓦西半徑，也就是星體質量對應的黑洞半徑（比如太陽的史瓦西半徑只有3公里），而a是雙星軌道的半長軸（對圓軌道就是半徑）。因為一般rs遠小于a，再加上5次方，所以這個因子是非常非常小的。也就是一般雙星的引力波輻射微乎其微。

什么樣的源產生引力波非常強呢？根據以上公式，只有a小到接近于rs的時候引力波輻射才會最強。這要求并合的星體要足夠致密，即它的真正尺度要非常接近史瓦西尺度（顯然太陽和一般恒星不滿足此要求）。雙黑洞并合首當其沖，因為兩個黑洞的距離a原則上可以小到只有2倍rs。中子星是第二種足夠致密的天體。因為其尺度比相應的史瓦西尺度大了兩倍多一點，所以中子星和黑洞的并合或雙中子星的并合也可以給出足夠強的引力波輻射。

當并合發生時，在當地引力波的功率是非常大的。但是由于這些并合天體距離地球非常遙遠，當引力波到達地球時信號已經非常微弱。弱到什么程度？引力波作為時空的波動，其強度可以用空間尺度的相對變化來描述。我們探測到的引力信號這個值差不多是10^-22，這是非常非常小的。對于LIGO探測器4公里的臂長，探測到的擾動只有質子半徑的千分之一左右。這需要非常精密的儀器，這也是為什么人類需要花一百年的時間才最終探測到引力波。

LIGO探測引力波的原理是什么

現在的引力波探測器（LIGO和Virgo）用的是激光干涉儀，其工作原理如視頻所示。從光源發出的激光由分光鏡分為兩束射向探測器相互垂直的兩臂，在兩臂的遠端懸掛兩面反射鏡，反射回來的光在分光鏡處會合發生干涉。在正常情況下兩臂長相等，干涉條紋穩定。當引力波到來時，時空會有規律地擾動。當一條臂變長時，另一條臂會變短（雖然幅度非常小），反之亦然。激光的干涉條紋會有規律地發生變化，如果觀測到的變化符合理論預期，人們就能確認引力波被探測到了。

“聽”引力波

經過幾十年的努力，LIGO團隊終于在2015年9月14號的時候探測到首例引力波事件（GW150914）。引力波探測到的信號是什么樣的？下面視頻顯示GW150914的探測圖，橫軸是時間，縱軸是頻率。我們可以看到隨著時間增加頻率也增加，這是因為在并合前兩個黑洞的距離越來越近，互相繞轉頻率越來越快。這個隨時間頻率的演化如果用我們熟悉的聲波來聽就像是鳥的啁啾聲（chirp）。

值得注意的是LIGO有兩個探測器。這兩個探測器相距幾千公里。之所以這樣做是因為引力波探測器是非常精密的儀器，一點小小的擾動，比如一個人拍籃球或一輛汽車開過都有可能在一個探測器產生可探測信號。只有當兩個探測器都探測到相似的信號時，人們才能確認信號真正來自天外。

伽馬射線暴

花開兩朵，各表一枝。下面我們介紹另外一個獨立的研究領域，這就是關于伽馬射線暴起源的問題。

下圖是伽馬射線的天圖，中間很寬的帶是銀盤。在某一時刻，在一個隨機方向會突然發生伽馬射線爆發，持續時間為10秒左右。當它達到最亮時，其發射的伽馬射線流量超過了全宇宙伽馬射線流量的總和。

伽馬暴發現于1967年，即50年前左右。在很長時間內，伽馬射線暴是天文學中的一個不解之謎。從觀測上，伽馬射線暴可根據持續時間分為兩類。以2秒為界：長于2秒的叫長暴，短于2秒的叫短暴。到1997年，即伽馬暴發現30年后，人們終于解決了長暴的起源：大質量恒星死亡的時候中心坍縮形成中子星或黑洞，并伴隨超新星爆發。在特殊條件下（如星體快速轉動）中心天體可能會產生劇烈的噴流。當噴流從星體中噴出后，其速度可以達到0.99995倍光速。當噴流指向地球時，我們就看到了一個長伽馬暴。

短于2秒伽馬暴（短暴）的起源卻一直困擾著天文學家們。2004年美國的Swift衛星上天后，人們發現短暴的宿主星系是不同于長暴的，而且伽馬暴在星系中也遠離恒星形成區。這些都表明短暴不起源于大質量恒星坍縮。它們很可能和一些致密天體相聯系。在2017年之前，主流模型認為短暴起源于含中子星致密雙星的并合。這些致密雙星（BH-NS，NS-NS）并合源恰恰又是強引力波源。探測與引力波成協的短暴可以最終解決這一起源疑難。

重元素的起源

第三個完全獨立的科學問題是重元素的起源。上圖是我們熟知的元素周期表，一共有100多種元素。元素的序號代表原子核中質子的數目。天體物理能夠解答各種元素是如何形成的。最輕的元素（氫和氦以及少量的鋰）產生于宇宙大爆炸。恒星內部發生核反應可以產生稍重的元素，一直到26號元素鐵都能夠在恒星內部產生。更重的元素的聚變不但不能放熱，還必須吸熱，它們不能在恒星內部合成，只能通過其它渠道產生。

核天體物理認為，比鐵重的元素，包括我們熟悉的貴重金屬金和銀是通過快中子俘獲產生的。這種核過程要求反應區中子含量很高。這些中子會和重核快速結合形成富中子核，然后通過衰變產生序號更高的元素（中子變為質子）。那么什么樣的環境是富中子的呢？過去多數人認為超新星爆發能提供這樣的環境，但是也有一些科學家認為含中子星的致密天體并合應該是更有可能的。這是因為在并合前，中子星會被潮汐力撕裂并有一些物質被甩出。從中子星內部甩出的物質自然是富中子的，因此自然是制造重元素的理想場所。

這個問題最早由華人科學家李立新（現北京大學教授）和他在普林斯頓大學的導師Paczynski教授做出研究。他們當時是為了解答一位同事的疑問：含中子星的并合應該有什么觀測現象？兩位發表的一篇著名論文（如上圖）指出：由于快中子俘獲及隨后的元素衰變都會釋放能量，中子星并合應該伴隨著一種比超新星暗一些的光學瞬變源，即后來所謂的千新星。根據這一理論，我們地球上的金銀財寶都產生于太陽誕生前的一次中子星并合。

引力波的變化與啁啾（來源：https://www.ligo.caltech.edu/video/）

第一例雙中子星并合的發現：邊“聽”邊“看”

2017年8月17號，LIGO-Virgo團隊探測到一個與其它事例不同的引力波事件。這是人類第一次探測到雙中子星并合事件。首先給大家聽一下雙中子星并合的引力波是什么樣的（上面視頻）。前五個都是雙黑洞的并合，時間不到2秒鐘就并合了。最后一個是雙中子星并合，由于質量比黑洞小，最后并合頻率要比黑洞系統高。由于中子星沒有黑洞致密，所以它們并合的引力波信號要弱一些。要探測它并合源距離地球要比較近才可以（這個源的距離約40Mpc，的確比其它黑洞并合源近許多），因此雙中子星并合源被引力波探測器探測到的時間長。GW70817被探測到近60秒后才發生了最后的啁啾信號。由于這一特殊的觀測性質，LIGO-Virgo團隊可以很快確認探測到的事件是中子星并合事件。

如前所述，理論上預期中子星并合事件應有短伽馬暴和千新星與其成協。事實是怎樣的呢？令所有在此領域工作的天文學家歡呼雀躍的是：這些電磁對應體都如約而至了。人類終于第一次用引力波和電磁波邊聽邊看宇宙中最猛烈的事件之一：兩顆中子星的最后并合。

我把下圖稱為天體物理學中最美麗的圖像：最下面一欄是GW70817引力波信號，我們可以看到清晰的啁啾信號（發生事件為黑豎線）；上面三欄是兩個伽馬射線暴探測器三個能段的數據，我們可以看出在中子星并合約1.7秒（灰豎線）后，一個持續時間為2秒左右的短暴（GRB170817A）被探測到了。這是兩個獨立的領域（引力波界和伽馬暴界）為解決兩個獨立的問題（探測引力波和解答短暴的起源）分別經過長達半世紀的努力，在這個特殊的天體事件上相隔1.7秒勝利會師！稱它最美麗一點也不過。

結合引力波信號和伽馬暴信號，人們很快縮小了這個并合事件在天空中方向的不確定度。另外引力波信號能給出該源的大致距離，所以天文學家們很快鎖定了幾十個在該天區的星系，然后開始夜以繼日地觀測來搜尋其它波段的對應體。終于在不到11小時的時間里捕捉到光學對應體，又很快探測到該源的X射線和射電輻射。光學輻射特征基本符合預言的千新星的觀測特征，其它波段的輻射也基本符合短暴余輝的特征。千新星的成功探測證明雙中子星并合確實可以通過快中子俘獲過程制造重元素。巧合的是，因為天上“生產”黃金，17年8月17日當日的金價應聲而落。

成功與挑戰

GW170817/GRB170817A的成功探測既是觀測的成功也是理論的勝利。然而正如天文瞬變源領域經常發生的一樣，每一個舊的問題的解答常常伴隨著更多的新的問題和挑戰。具體到GW170817事件，目前的觀測不能夠完全解答以下問題：并合的產物是什么？是一個黑洞還是一個超大的中子星？噴流的結構是什么？看到的伽馬射線是怎樣產生的？這個短暴和其它更遠更亮的短暴是什么關系？1.7秒的時間延遲是什么引起的？等等。

更進一步的問題：黑洞和中子星并合會發生什么？雙黑洞并合能產生弱的電磁信號嗎？各種致密星并合可以產生可探測的中微子嗎？解答這些問題需要今后許多年更多的觀測和理論的發展。

未來前景

最后，我用“一二三四”做一個總結：

“一”個新興領域：由于引力波及其電磁對應體的成功探測，一個全新的領域即引力波天體物理誕生了。這個領域匯集了不同領域的同仁們，從不同的角度來研究由引力波探測帶來的新的天體物理課題。下圖是今年夏天在國內第二屆引力波天體物理會議上我根據會議議程總結出的相關子領域。給年輕朋友一個好消息：這個領域是大有作為的！

“兩”個領域結盟：引力波電磁對應體的發現主要是使得引力和電磁兩大領域結盟。這可以從下面這篇多信使觀測GW170817/GRB170817A的文章看到。一般的天體物理文章可能少到一兩個多到幾十個作者。這篇文章下面密密麻麻列的并不是作者的名字，而是團隊的名字。如果把所有人列出，這篇文章有3677個作者，其中引力波領域一千多個作者，電磁波領域兩千多個作者。是多信使天文讓大家聯手。可以預期，這兩個領域的對話將在今后日益深化。

“三”個時空尺度：以LIGO引領的地面引力波探測器已經成功探測到恒星尺度的引力波（LIGO探測到的黑洞和中子星都是恒星演化的產物）。在星系尺度上星系中心的黑洞也會并合，探測它們發出的引力波需要更低頻，亦即更長基線的探測器，歐美和中國的幾個空間項目（如LISA，太極和天琴）以及地面的脈沖星計時陣列將探測到在這個尺度的引力波。在更大的宇宙尺度，整個宇宙在大爆炸的極早期會產生引力波，現在國內外的一些望遠鏡（包括國內的阿里計劃）都在瞄準這些信號。期待在今后幾十年的時標里，人類真正可以用引力波研究所有的時空尺度。

“四”種信使，四大相互作用：如前所述，除了電磁波和引力波以外，天文學家還可以用中微子和宇宙線研究宇宙。這些領域的研究也在繼續。期待不遠的將來人類能夠用四種信使來同時研究宇宙及其四大相互作用，最終揭開宇宙神秘的面紗。（圖片由張冰教授提供，來源于網絡或張冰教授ppt）