如何听到宇宙的声音？两个黑洞的合并使我们能够探测引力波
在引力波天文学到来之前，人类只能通过电磁波等传统手段观察宇宙，只有图像，没有声音，就像看无声电影一样。“秦天计划”的启动不仅让我们可以听到宇宙的声音，还可以帮助我们收集更多种类的引力波信号。什么是黑洞？怎么长出来的？什么是引力波？引力波是谁发出的，如何探测？如何探测太空中的引力波？除了看到双黑洞合并，秦天还能发现什么？
出品："格致论道讲坛"公众号（ID：SELFtalks）
以下是中山大学物理与天文学院副教授胡一鸣的讲话：
如果你关注科技新闻，你应该知道今年的诺贝尔物理学奖奖授予了三位研究黑洞.的物理学家和天文学家
理论研究和天文的观测.证明了黑洞的存在
什么是黑洞?
黑洞不仅是宇宙中的最为致密，也是引力场最强,的天体，以至于连光都逃不出它的魔爪。
如何制造黑洞？
就是把脚下的地球压缩、压缩、再压缩到乒乓球大小，就可以得到一个黑洞。当然，这是一个非常小的黑洞。
今天，我们可以研究强引力、黑洞等，所有这些都归功于伟大的物理学家爱因斯坦,提出的广义相对论，它为我们提供了描述黑洞和引力的数学工具。
当然，如果我们指导的研究生想在广义相对论,做好工作，需要一个学期，但我们今天只有20分钟。
请允许我把广义相对论浓缩成一句话：时空告诉物质如何运动，而反过来，物质告诉时空如何弯曲。
太阳质量很大，它会把附近的时空弯曲起来.
在弯曲的时空中，运动的地球不再是直线，而是在不停绕着太阳打转.
同样，地球会弯曲它周围的时间和空间，所以月亮也在不断地绕着地球转.
自1915年爱因斯坦提出广义相对论以来，许多科学家因相关研究而获得诺贝尔物理学奖奖。
特别是在21世纪，仅仅过了20年，就有6个诺贝尔物理学奖授予了与广义相对论.有关的研究
更不可思议的是，在过去的四年里，广义相对论获得了三项诺贝尔奖。
所以当我们知道今年又有一个诺贝尔物理学奖颁给了与广义相对论相关的研究时，就有同事在微信群里开玩笑说爱因斯坦在1915年发表了一个习题集。谁能做对？一个话题，谁能得诺贝尔
尔奖。如果要问这本习题集里哪道题最有挑战性、分值最大，我想很多物理学家的回答都是引力波。
什么是引力波呢？
引力波是时空的涟漪，当它过来时，它会改变两个物体之间的距离。
地球和太阳之间有着1.5亿公里的距离，当引力波过来时，这个长度会发生一个非常微小的变化，多小呢？
大概是一个氢原子的大小，所以这个探测非常困难。
1916年，也就是爱因斯坦提出广义相对论的第二年，他就推导出了引力波并发表了论文。
但是在那篇论文的结尾处，他还写了一行小字：引力波是如此微小，以至于在任何可以想像的、合理的物理场景下，人类都不可能探测到引力波。
这就好像是出这本习题集的老师都认为这道题目解不出来。
引力波怎么测？
非常幸运的是，人类最终还是探测了引力波，怎么探测呢？
这借助于一种技术，也就是激光干涉测量技术。
简单来说，就是打出一束激光，并且让它在分束器的地方一分为二，一束激光向前走，另一束向旁边走，它们同时走过相同的距离，大概4公里。
对面放着一面反射镜，它就往回走，两束光在分束器的地方又合二为一。
光具有一种特性，就是干涉，如果我在旁边放置一面探测器，这时是什么信号都看不到的，这边看到的是全部黑暗的景象。
如果有引力波过来，就会不一样了，因为引力波会改变两个物体之间的距离，也就是说激光到镜子之间的距离会发生改变。
因为距离发生了改变，向前走的激光与向旁边走的激光经过的路程不一样，当它们合二为一时，它们不是完美地相消。
一部分光会照到探测器上，探测器记录到一会亮、一会暗的数据，就反映出了引力波的效果，我们可以借此测量引力波信号。
是谁发出引力波？
引力波可以由很多系统产生出来，比如我在台上走来走去，手挥来挥去，也可以产生引力波，但这样的引力波是非常小的。
什么样的系统辐射出的引力波可以被探测到呢？一定是质量非常大，速度非常大才可以。
比如两个黑洞如果互相绕转，就会产生引力波，它们互相绕转，频率越来越高，强度越来越强。
向外走的引力波以光速向前进，经过漫长的旅行后终于到达地球，到达探测器，并且会改变物体间的距离，在一个方向上会挤压，在另一个方向上会拉伸，留下可观测的效应。
2015年9月14日，人类第一次探测到了引力波信号。
因为是在那一天探测到的，所以我们给它取了一个名字，叫做GW150914，这里展示的就是这个信号的数据。
地面上有两个探测器同时记录到了数据，吻合程度非常高，让我们确信它的来源是两个黑洞的并合。
到2015年底，人类一共看到了三次引力波事件，也就是说有三对黑洞发生了并合，并且被地面的探测器探测到了。
现在，随着探测器灵敏度的不断提高以及探测时间的不断累计，我们探测到的事件数也在不断增加，目前一共有50个事件。
天琴计划
今天，我们已经进入了一个全新的时代——引力波天文学时代。
在这之前，人类观测宇宙，只能够通过电磁波等传统手段，我们能看到的是一些图像，没有声音，就像看无声电影一样。
而这个手段的开启，让人类可以打开“宇宙电台”，倾听宇宙的声音。
2017年，我做了一个决定：回国加入"天琴"团队。为什么呢？
因为我意识到在爱因斯坦留下的这道题目——引力波探测里，还有第二个小问，这个问题是：如何探测低频的引力波信号？
低频的引力波探测与高频的探测有区别吗？
用一个简单的例子来展示一下，我手中是一个弹簧，把它拉开，让它这边振动起来，就得到了一个波长和弹簧长度一样的波。
如果振动加快，频率增加，这个长度之中就会有两个波，甚至是三个波，对应的，它的波长就会减小，换句话说，频率越高，波长也就越短。
用激光干涉测量技术测量引力波时，它的工作最敏感的范围就是当引力波的波长和探测器的尺寸差不多的时候。
地面上的探测器大概是4公里，可以探测一些比较高频的信号。
如果想观测更低频的信号，甚至是波长远远超出地球的尺寸时，就不能在地面上制造这样的探测器了，只能把这个探测器放到空中，在空间实现引力波探测。
"天琴计划"就准备做这样一件事情：发射几颗卫星到空中，然后用激光把它们连接起来，组成一个巨大的、像竖琴一样的引力波探测器，静静地等待着引力波来拨动"天琴"的琴弦。
实现空间引力波探测，具体要怎么做？
理论上讲，好像很简单的样子，只需要发射几个质量块，把它们放到距离地面十万公里的高度。
当然在这个位置上还是有很多干扰的，比如太阳会吹来太阳风，地球会造成地磁场干扰。
我们希望这些质量块只受引力的作用，所以我们要制造一个盒子把它们保护起来，不让它们受各种干扰的影响。
有了这样一个稳定的平台后，我们还要精密测量这些质量块之间的距离变化，就要借助空间激光干涉的方法来实现。
这些问题，说起来很容易，但真要实现起来，那可是难上加难了。
幸好我们有一个非常靠谱的实验团队，所以作为一个引力波天文学家，我就可以放心把实验的难题交给他们，我只需要研究"天琴"能够看到哪些引力波源。
我怎样研究这项课题呢？
很简单，只要我知道这几个质量块之间的距离、它们的残余加速度和距离测量精度后，就可以画出一个灵敏度曲线。
什么叫灵敏度曲线呢？
它表示着不同频率上，噪声强度的高低。
再将引力波信号叠加到这张灵敏度曲线上，当信号高于灵敏度曲线时，大致上可以认为这个信号能够被探测到。
地面的探测器可以测量两个黑洞的并合，这个过程，两个黑洞越转越近，越转越快，频率在增加。
反过来，把时间往回倒退，一年、甚至十年的时间，是不是它的频率会更低？
我们研究发现，这个时候，它的频段正好落到"天琴"工作的范围，所以我们可以在它并合前一段时间实现探测，这样的探测比地面的探测有趣多了。
在地面上探测到双黑洞并合信号后，地面的探测器会告诉天文学家：小伙伴们，快来看，在这个方位，在这个时候，我探测到了一个双黑洞的并合信号，请你们把望远镜对准它，来观测一下。
然而可能最有趣的时候，恰恰就是双黑洞并合的时候，这边已经是亡羊补牢、为时晚矣。
而如果"天琴"可以在它并合的前几年，或者前几个月就发出预警，可以做一个“天象预报”，那我们就可以让地面的天文学家们守株待兔、以逸待劳。
我们说，这个方向、这个时候将会有一个双黑洞并合，请你们到时候准备好望远镜对准它。
我们的征途是星辰大海
除了双黑洞并合，"天琴"还能看到什么？
我们研究了许多不同的引力波系统。
比如我们知道在银河系里有许多双白矮星系统，但是用电磁波手段看，它们是非常暗弱的，很难看到，我们目前大概只能看到100对双白矮星。
然而根据我们的计算，"天琴"上天运行5年后，就能够看到大概1万对这样的双星系统，如果把这些星画成一张图，那可真是密密麻麻，看都看不清楚了。
我们还知道，在宇宙中存在着许多星系，星系会并合，每个星系中心都有一个大质量的黑洞。
这些大质量的黑洞块头比恒星级的黑洞大得多，它产生的引力波也大得多。
随着星系的并合，大质量的黑洞也会并合，产生非常强大的引力波信号。
"天琴"对这类信号的探测能力可以一直推到宇宙的尽头。
通过对这些信号的分析，我们也许可以了解这些黑洞是如何成长的，以及对应的星系是如何成长的，甚至宇宙是如何成长的。
既然有大质量黑洞，还有小质量黑洞，一大一小的黑洞能不能在一起“跳舞”产生引力波呢？
答案是可以的，而且，它的波形会非常复杂，而它却恰恰提供了一个很好的让我们研究引力的舞台。
为什么？哪怕广义相对论只是错了一点点，它的波形和观测到的数据都会长得很不一样。
所以我们可以利用"天琴"的观测，反过来考一考爱因斯坦。
总之，我和我带领的团队在过去的几年里分析了"天琴"能够看哪些引力波信号、能够看到多少个，以及测量的物理参数能测多准。
我们的结论是："天琴"能够收集到种类非常丰富、数量巨大的引力波信号。
我现在非常期待，期待"天琴"上天，一一验证我们做出的理论预言。
让我们期待引力波的到来，来拨动"天琴"的琴弦。
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