腾讯太空专访引力波一线科研人员

　　明镜（右）与著名理论物理学家索恩拍摄于加州理工

　　腾讯太空讯（乔辉）人类直接探测到引力波的大新闻还在圈内圈外激荡，我们非常幸运邀请到在引力波探测一线工作的明镜博士来给大家进一步做引力波的科学解读。明镜博士目前工作于德国马克思普朗克引力物理研究所，也是LIGO科学合作组织（LSC）的成员。

　　腾讯太空：虽然距离爱因斯坦最初预测引力波已有100年之久，但普通大众对此还是非常陌生，首先简单介绍一下什么是引力波？明镜：引力波用最简单的话来表述就是：时空（时间和空间）的涟漪，可以吧时空想象成水面，你往水里扔了个石子，水面受到扰动泛起阵阵涟漪，这涟漪就是引力波。物理上的解释可以由广义相对论给出：在非球对称的物质分布情况下，物质运动，或物质体系的质量分布发生变化时，会产生引力波。在宇宙中，有时就会出现如双黑洞碰撞并合这样极其剧烈的天体物理过程，过程中的大质量天体剧烈运动扰动着周围的时空，扭曲时空的波动也在这个过程中以光速向外传播出去，到达地球后被我们探测到。当然，同样的，人们在打球，跑步，玩呼啦圈等等各种活动中，无时无刻不在释放引力波。只是因为我们的质量太小，速度不够快，所以产生的引力波非常微弱难以探测。

　　腾讯太空：我周围的不少朋友在听到直接探测到引力波的新闻后，普遍问一个问题：引力波有什么用？

　　明镜：引力波对于人类来说，是一种全新的感觉，是人类感知时空波动的“第六感”。人类对这个这个世界、这个自然的一切认知，来源于我们的感觉。我们品尝美食靠的是味觉，闻春天的花香靠的是嗅觉，听老师讲课靠的是听觉，拿着望远镜看星星靠的是视觉。引力波的观测，意味着除了上述这一切感觉之外，我们可以用全新的感觉去观测、去认识、去理解这个宇宙，从而得到以前根本不可能知道的自然奥妙。在2.11号的LSC新闻发布会上，LIGO的主任这么说：从前，我们是“聋”的；现在，我们可以“听”！

　　腾讯太空：为什么说这是人类首次直接探测到引力波？给大家科普一下之前间接探测证实引力波存在的故事吧

　　明镜：引力波作为爱因斯坦广义相对论的重要预言，在100年前就被提出。在之后的三四十年时间里面，它是否客观存在在物理学界有很大争议。直到1955年物理学家提出了“粘珠”思想后，引力波的存在性才得到大家的广泛肯定。但是由于引力波及其微弱难以探测，所以在之后的几十年时间里面我们一直没有找到。1974年，美国物理学家家泰勒和赫尔斯利用射电望远镜，发现了由两颗质量大致与太阳相当的中子星组成的相互旋绕的双星系统。由于两颗中子星的其中一颗是脉冲星，利用它的精确的周期性射电脉冲信号，我们可以无比精准地知道两颗致密星体在绕其质心公转时他们轨道的半长轴以及周期。通过十几年的持续观测，科学家们发现，双星周期变化率和半长轴缩短和广义相对论引力辐射的计算完全一致。这是虽然不是直接探测，却是引力存在的重要间接实验证据。这给了很多想通过实验手段探测引力波的科学家们很大的信心。在最近的二三十年里，一种基于迈克尔逊干涉仪原理的引力波探测器在世界上很多地方被建造出来。这种仪器长达几公里，试图寻找引力波在这个几公里的尺度上造成的极其微小的空间畸变（大约万分之一个质子大小）。因此这种引力波探测器也被认为是人类迄今为止建造出来的最精密的仪器！

　　在2015年9月14日，一对位于美国的探测器LIGO捕捉到了来自13亿光年远外的双黑洞碰撞并合所释放出来的引力波。这是人类第一次直接探测到“时空的涟漪”。

　　腾讯太空：为什么探测引力波如此困难？主要难点在哪里？世界上都有哪些主要的引力波探测器在运行？

　　引力波造成的空间畸变非常的小（大约万分之一个质子大小），所以探测它变得尤其困难。探测引力波，本质上是探测空间的微小畸变，对实验的精度要求非常高。由于仪器和环境的各种噪声的存在，导致我们很难探测到那么微小的畸变量，对引力波实验物理学提出了重大挑战。另外后续的数据分析过程中，想要将淹没在波涛汹涌般噪声那朵真实引力波信号小水花提取出来，也是非常有挑战性的。

　　自20世纪90年代起，在世界各地，一些大型激光干涉仪引力波探测器开始筹建，引力波探测黄金时代就此拉开了序幕。

　　明镜：这些引力波探测器包括：位于美国路易斯安那州利文斯顿臂长为4千米的LIGO（L1）；位于美国华盛顿州汉福德臂长为的4千米的LIGO（H1）；位于意大利比萨附近，臂长为3千米的VIRGO；德国汉诺威臂长为600米的GEO，日本东京国家天文台臂长为300米的TAMA300。这些探测器在2002年至2011年期间共同进行观测，但并未探测到引力波。在经历重大改造升级之后，两个高新LIGO探测器于2015年开始作为灵敏度大幅提升的高新探测器网络中的先行者进行观测，而高新VIRGO也将于2016年年底开始运行。此外，欧洲的太空引力波项目eLISA和日本的地下干涉仪KAGRA的研发与建设也在紧锣密鼓地进行。

　　腾讯太空：这次新闻发布会透露出很多细节，例如两颗黑洞的精确质量、合并之后黑洞的质量以及引力波波源的距离等，这是根据什么从引力波信号中解读出来的？

　　明镜：是的。正如第一个问题中回答的一样，引力波给了人了一个观测宇宙的新窗口。黑洞的定义是光都无法逃逸，因此黑洞并合是不会释放任何电磁信号的，也就是说我们是无法“看到”黑洞并合的事件。但是引力波观测是对时空涟漪的探测，黑洞在并合前一秒内剧烈地扰动着周围时空，过程中释放了大量含有黑洞物理信息的引力波。我们得到数据之后，分析出引力波的波形，经过数值相对论得到的模板做匹配，我们可以知道两个黑洞各自在并合前的质量和并合后的总的质量，也能知道距离等等信息。

　　腾讯太空：这次引力波事件，假如意大利的Virgo探测器也在运行的话，三个探测器是不是可以确定引力波源的确切位置了？

　　明镜：两个探测器我们也能知道它的大体位置，好比我们有两个耳朵，可以听出是哪个方向传过来的。当然探测器越多，我们得到的位置信息越准确

　　腾讯太空：这次双黑洞碰撞事件，有没有可能在电磁波段也探测到？

　　明镜：如果只是双黑洞并合，电磁波段是没有任何信号的。但是如果其中某个黑洞在并合前周围有物质，那也不排除在并合过程中发生物质坠入黑洞而释放出电磁波段的信号。本次黑洞并合，据我所知没有相对应的电磁信号。如果是黑洞和中子星或者说双中子星并合，那么我们在电磁窗口和引力波窗口都能看到信号。

　　腾讯太空：除了地基引力波探测器，听说还规划有太空引力波探测器，以及利用脉冲星计时阵列探测引力波的手段。这三种不同的探测手段各有什么特点？

　　明镜：主要还是最佳灵敏所在的频率不同，或者说它们所要找的引力波源是不一样的。

　　宇宙微波背景辐射探测~10^-16赫兹次方这样极端低频的引力波，也称为原初引力波。

　　脉冲星适合探测频率~10^-10到10^-6赫兹的引力波，它主要的观测目标是超大质量黑洞并合释放的引力波

　　eLISA、天琴的敏感频率在为~10^-4到~1赫兹，主要对象是银河系中相对慢速绕转的双致密星，还有黑洞捕获致密星体这样的引力波事件。

　　LIGO一类的地面的激光干涉仪，对频率100Hz的信号最敏感。它的研究对象很多：双黑洞、双中子星等双致密天体并合前的一瞬发出的引力波，还有旋转中子星和超新星爆发等释放的引力波。

　　空间引力波探测的想法吸引了不少关注，其中也有中国科学家活跃的身影。由罗俊院士倡议的天琴计划就希望发射3颗地球轨道的卫星，在卫星与卫星之间形成激光干涉，从而测量引力波信号。不同于LISA的绕日轨道，天琴计划选择的地球轨道将大大降低发射的成本和难度。

　　腾讯太空：超新星爆发也是一种剧烈的天文事件，它发出的引力波强度大吗？假如银河系内发生超新星爆发，LIGO是否能探测到引力波？

　　明镜：超新星爆发的引力波强度的峰值功率是很大的，银河系内发生超新星爆发，LIGO是有可能探测到的。只是它的主要难度在于，我们不知道或者说还不怎么清楚超新星爆发产生的引力波的波形是怎么样的，所以在数据分析上很有难度。有很多天体物理学家活跃在这个领域中，不久之后我认为这个事件也可以被探测出来。

　　腾讯太空：你感觉哪几位物理学家因这个发现能获得诺贝尔物理学奖？

　　明镜：这个问题有点难回答啊。不过我相信LSC每个成员都有自己的答案。

　　我心中的答案应该是索恩、韦斯和德雷维尔。他们三个都是LIGO的创始人，对引力波科学领域贡献巨大，同时也培养了许多引力波界的人才。哦，对了索恩是我导师的导师，所以说应该算我的太师傅了吧。

　　腾讯太空：当初为什么选择引力波这个研究方向？

　　明镜：当初选择引力波方向主要是因为觉得这个方向很有意义也有光明的前景。在低年级时候听完引力波的大佬之一舒茨做完引力波的报告之后，感觉这个方向就是自己以后要投身其中的。另外自己从小就被各种科幻科普“毒害“很深，长大后对这方面确实非常感兴趣。我觉得人生一大幸福之事，就是可以做自己感兴趣的事。

　　现在我在德国汉诺威的马克思普朗克引力物理研究所。马普所作为LSC的重要组成部分，无论在理论方面还是实验方面都有非常强大的团队，为本次探测做出重要贡献。

　　腾讯太空：你们现在的日常工作内容主要是什么？

　　明镜：我本人是做天体物理理论数据分析方面的，每天工作一般都是阅读学习文献，参加学术讨论，然后自己坐在电脑前做各种理论推导和数据分析的工作。我业余生活也很丰富。因为你知道，搞理论方面的，不是一直工作就可以出成果的，很多时候是需要灵感的。所以一般我下班后我不太会管工作上的事情，而去做一些别的方面的爱好，比如打羽毛球，摄影，或者周末和朋友一起玩玩狼人杀什么的。在德国这段时间我过的很充实很开心，希望这种状态可以一直保持下去。

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