NSR專題 引力波天文學
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引 言
最近，引力波的發現開啟了天文學和宇宙學的新紀元。引力波為探索宇宙的起源和自然界中的物理現象提供了一個全新的窗口。《國家科學評論》2017年第5期出版了「引力波天文學」專題，敬請收閱。
知社也特約國內相關領域一線年輕學者撰寫了幾個特別迷人的景點介紹，合成引力波天文學之系列刊發，以饗讀者。秘密公開後，我們又第一時間邀請LVC成員進行了對這一科學問題的詳細解讀。在此一併奉上，帶您了解引力波天文學的前世今生！
Special Topic: Gravitational Wave Astronomy
GUEST EDITORIAL
Xiang-Ping Wu
Listening to the Universe with gravitational waves
Natl Sci Rev (2017) 4 (5): 680, DOI: 10.1093/nsr/nwx021
https://doi.org/10.1093/nsr/nwx021
Xiang-Ping Wu
RESEARCH HIGHLIGHT
PHYSICS
Chunnong Zhao and David G Blair
First direct detection of gravitational waves
Natl Sci Rev (2017) 4 (5): 681–682, DOI: 10.1093/nsr/nwx089
https://doi.org/10.1093/nsr/nwx089
Chunnong Zhao
PERSPECTIVES
PHYSICS
Yi-Ming Hu, Jianwei Mei and Jun Luo
Science prospects for space-borne gravitational-wave missions
Natl Sci Rev (2017) 4 (5): 683–684, DOI: 10.1093/nsr/nwx115
https://doi.org/10.1093/nsr/nwx115
Jun Luo
Wen-Rui Hu and Yue-Liang Wu
The Taiji Program in Space for gravitational wave physics and the nature of gravity
Natl Sci Rev (2017) 4 (5): 685–686, DOI: 10.1093/nsr/nwx116
https://doi.org/10.1093/nsr/nwx116
Yue-Liang Wu
REVIEWS
PHYSICS
Rong-Gen Cai, Zhoujian Cao, Zong-Kuan Guo, Shao-Jiang Wang and Tao Yang
The gravitational-wave physics
Natl Sci Rev (2017) 4 (5): 687–706, DOI: 10.1093/nsr/nwx029
https://doi.org/10.1093/nsr/nwx029
Rong-Gen Cai
George Hobbs and Shi Dai
Gravitational wave research using pulsar timing arrays
Natl Sci Rev (2017) 4 (5): 707–717, DOI: 10.1093/nsr/nwx126
https://doi.org/10.1093/nsr/nwx126
George Hobbs
INTERVIEW
Hepeng Jia
We have confidence to lead gravitational-wave science: an interview with Yueliang Wu
Natl Sci Rev (2017) 4 (5): 718–720, DOI: 10.1093/nsr/nwx072
https://doi.org/10.1093/nsr/nwx072
Yue-Liang Wu
隨著眾望所歸的引力波物理諾獎的頒發，高頻引力波研究正大刀闊斧地開創著引力波天文學的新天地。大家都說引力波天文學時代已經開始，傳說中的引力波新信號也是除了LVC之外人盡皆知的公開秘密。人人都想趕上這新時代，但是引力波天文學的新天地里，又會有怎樣的絢麗風景呢？
以下是知社為您奉上的《高頻引力波天文學之系列科普與科學發現解讀》，快來看看吧！
特別聲明：本系列科普文章都是相關學者基於他們將要申請、正在執行、或者已經結題的國家自然科學基金委支持的《國家自然科學基金項目》發展出來的，版權歸作者所有。
100年前，當愛因斯坦預測引力波的存在的時候，他不曾想過，有朝一日，人類能夠真正觀測到引力波：這個效應是如此的微弱，無法察覺……而在2016年2月11日，北京時間23:30分，加州理工學院、麻省理工學院、LIGO科學聯盟、以及美國國家科學基金會，向全世界宣布:我們真的探測到引力波!
相關論文，以Observation of Gravitaiton Waves from a Binary Black Hole Merger為題，在Physical Review Letters上發表。知社學術圈特邀請論文作者之一、LIGO科學聯盟核心成員、加州理工學院陳雁北教授，和中國引力波專家、湖北第二師範學院范錫龍博士，撰文介紹引力波探測漫長曲折而又激動人心的經歷，和一些鮮為人知的花絮。（參見：陳雁北: 愛因斯坦都不敢想像, 我們真的探測到引力波!|獨家專訪）
國際引力波探測聯盟LIGO在2015年9月14日探測到了GW150914這個引力波信號。這一發現不僅直接證實了廣義相對論的一個重要預言——引力波的存在，還為引力波天文學注入了無限的活力。
北京時間2016年10月3日下午5點45分，瑞典皇家科學院宣布將2017年諾貝爾物理學獎授予LIGO三劍客Kip Thorne，Rainer Weiss和Barry Barish，表彰他們在人類首次探測到引力波的卓越貢獻。其中，多名中國學者在LIGO團隊為引力波探測做出重要貢獻，並在人類首次探測到引力波的PRL論文署名，共享這一榮光。（參見：LIGO三劍客榮獲諾貝爾物理學獎, 中國學者共享榮光 |火線專訪）
LIGO三劍客
那麼，引力波的探測，究竟給天文學帶來什麼樣的新機遇？在過去兩年多的時間裡，國內外的實測天文學家在關心什麼？引力波天文學當前最重要的問題又是什麼呢？答案非常簡單，尋找LIGO引力波源的電磁對應體！
如果能證實電磁對應體的存在，那麼多波段引力波天文學將掀開新的篇章。雖然這其中的不確定性太多，很難找到電磁對應體，但我們相信，通過五個要素，可以讓我們無限接近答案。它們分別是：引力波源的概率密度天區、星表信息、多波段的交叉認證、多觀測基站的交叉認證和時域觀測信息。（參見：諾獎後的下輪豪賭: 尋覓LIGO引力波源的電磁對應體? | 引力波天文學之一）
近年來，有一項天文學前沿的研究對象，公眾對其知之甚少。她是可觀測宇宙中電磁學波段能量最高的爆發現象。她在10秒內爆發出的能量比太陽一生所釋放的能量還要多。她如此高能，卻難以捕捉；她如此神秘，又令人痴迷。這浩瀚無垠的宇宙中閃耀的倩影，正是——伽瑪射線暴Gamma-ray Bursts（以下簡稱伽瑪暴或GRB）。
至於為何伽瑪暴的科普文章如此之少（幾乎沒有），是由伽瑪射線暴的客觀條件和歷史原因決定的：首先，發現得晚；其次，難以觀測捕捉；再次，目前還沒有一個完美的理論模型。
21世紀，迎來了GRB觀測的「黃金時期」，伽瑪暴的「前世」即前身星的模型已基本敲定：分別是大質量恆星坍縮模型和雙緻密性星（如中子星、黑洞）的合併模型。對於後者，我們正在期待當前如火如荼的LIGO引力波觀測能夠發現決定性的證據——由緻密天體併合所產生的引力波。（參見：宇宙中閃耀的倩影 -- 伽瑪暴 | 引力波天文學之二）
LIGO已經探測到4次雙黑洞併合事件。那它到底能不能探測到雙中子星的併合事件呢？圈內已經定下賭約，以一瓶好酒為注。
位於貴州平塘縣克度鎮金科村的大窩凼窪地，坐落著世界上最大的單口徑望遠鏡：500米口徑球面射電天文望遠鏡（英文縮寫為FAST）。FAST有若干個科學任務，而其中一個非常重要的任務就是接收來自一種被稱為「脈衝星」的天體所發出的信號。
FAST望遠鏡
FAST觀測脈衝星的重要科學意義之一，在於幫助天文學家研究中子星的內部結構，即緻密物質的狀態方程。如果LIGO能成功探測到兩顆中子星併合的引力波信號，也有望幫助人們更好地理解中子星的狀態方程。（參見：揭開「宇宙燈塔」的神秘面紗–從中國的FAST說開｜引力波天文學之三）
當然，引力波天文學能夠做的事情遠遠不止於中子星，天文學家感興趣的領域也遠遠不止中子星。知社引力波天文學系列第四篇文章，帶大家探秘「哈勃常數」，追問引力波對這個宇宙學參數的回答。
哈勃常數H0是一個由哈勃定律引入的宇宙學基本常數，精確測定H0的值是精確計算宇宙學距離(正比於c/H0,其中c是光在真空中的傳播速度)，以及宇宙學時間或宇宙年齡（正比於1/H0）的基本前提。然而，在精確宇宙學時代里，宇宙學裡的基本參數之一「哈勃常數」的真實數值卻越來越撲朔迷離。
引力波的春風同樣為哈勃常數的測量帶來了新希望。如果未來引力波及其電磁對映體或者宿主星系的數據能給出全新的獨立的哈勃常數的測量，那無疑將是宇宙學的一個重要進展。（參見：測定哈勃常數:引力波對其貢獻能有多大？｜引力波天文學之四）
引力波信號被觀測到，對驗證愛因斯坦的廣義相對論同樣意義深遠。自1915年廣義相對論被創建後，近百年的各類實驗，都逐一驗證了愛因斯坦廣義相對論的各個方面，涉及了太陽系內的弱引力場、中子星表面的強引力場和黑洞這樣更強的引力場等情況。
2015年9月，LIGO引力波地面干涉儀首次直接探測到了引力波信號。對引力波信號的複雜分析表明，從引力波反推出來的動態時空的演化情況與數值相對論中按照愛因斯坦的廣義相對論演化的雙黑洞系統基本一致。即，在高度動態的時空中，廣義相對論「大體上」是對的。
愛因斯坦
愛因斯坦先生是徹底對了嗎？不盡然。由於廣義相對論與量子場論尚存在無法融合的矛盾、且廣義相對論中預言了因果性破壞的「奇點」、再加上近幾十年來暗物質、暗能量的觀測，我們有理由相信，在某些未知的能標下、在某些未知的過程中，廣義相對論需要得到修改，我們需要超越愛因斯坦的引力理論——可惜，廣義相對論究竟在哪個尺度上是錯的這件事情還是個「徹底的未知」。（參見：早安，愛因斯坦先生！|引力波天文學之五）
知社引力波天文學系列第六篇文章，帶領大家一起領略了現代版的「比薩斜塔實驗」——引力波時代的愛因斯坦弱等效原理檢驗。
等效原理是愛因斯坦廣義相對論和其它引力理論的重要基石，愛因斯坦認為等效原理是他的「happiest idea」（「最開心的靈感」）。在未來的多信使觀測時代，藉助引力波信號及其電磁對應體信號，人們可以精確檢驗愛因斯坦廣義相對論以及廣義相對論和其它引力理論的基石之一——弱等效原理。如果未來真的能夠探測到引力波源及其電磁波、中微子伴隨信號，那麼我們完全能夠把對愛因斯坦弱等效原理的多信使檢驗擴展到引力波和光子、引力波和中微子窗口。（參見：弱等效原理的多信使檢驗｜引力波天文學之六）
雙緻密星併合在開闢引力波天文的道路上已經構建了如此多的美景，但這只是高頻引力波天文學的一角，精彩才剛剛開始。知社引力波天文學系列第七篇，帶領大家探秘天文學領域更多有趣的研究。
雙星併合
首先是偏心率的作用。偏心率在引力波天文學上有很重要的用途，包括能夠使激發出高頻的引力波，從而有效擴展LIGO能看到的黑洞質量上限；另外，偏心率還可以幫助定位。目前，如何高精度並且快速地計算偏心率軌道輻射的引力波，仍然是一個有挑戰性的工作。
其次是連續引力波。連續引力波對應的是一種長期穩定存在的引力波。但在實際操作中存在著很多問題，為尋找連續引力波的工作帶來了挑戰。由於其本身的難度並且探測器還沒有達到最佳的設計精度，使我們目前還沒有發現確信的連續引力波事件。隨著未來更多地面引力波探測器例如KAGRA，LIGO印度探測器的加入，和不斷改進的探測器靈敏度，越來越多的數據將被收集，在不久的將來自然將給我們帶來更大的驚喜。
再次是隨機引力波背景。當黑洞併合這樣的引力波源發生於距離地球比較近時（大約幾億到幾十億光年以內），則可以被獨立地從儀器雜訊中提取出；而那些更遙遠的波源雖然不能被單個識別出，它們的影響卻可能被整體感知到。這種大量不可分辨的微弱引力波信號疊加在一起形成的就是隨機引力波背景。我們期望未來地面引力波探測器能看到天體起源引力波璀璨的背景（2020年LIGO達到設計靈敏度的時候就有可能看到），更期待未來能有一些來自超越標準暴漲宇宙學的引力波背景信號的驚喜。（參見：更多源，更有趣 | 引力波天文學之七）
宇宙學正在經歷一個快速發展的階段，目前為止，所有的觀測都是局限在電磁波窗口。人們通過對Ia型超新星，宇宙微波背景等的觀測，對宇宙的形成與演化都有了很深刻的認識。然而，通過這兩者得到的當前宇宙膨脹率即哈勃常數H0存在一個明顯的矛盾（測定哈勃常數:引力波對其貢獻能有多大？｜引力波天文學之四）。為了檢查這個矛盾並且回答這樣的問題，我們急需一種新的獨立的直接測量H0的手段，並且要求這個手段測量精度能達到1%。
我們提出研究宇宙學的新天體物理系統：透鏡化的引力波及其電磁對應體。它是一個多信使系統，即我們既能觀測透鏡化引力波的多個信號，同時也可以看到其電磁對應體的多像。這樣的系統觀測認證將是一個交叉確認的過程。
除了本項工作，另一項利用透鏡化的引力波及其電磁對應體測量引力波速度的檢驗廣義相對論引力理論的工作發表在PRL上（引力波速度測量新方法）。（參見：透鏡化引力波電磁波宇宙學 | 引力波天文學之八）
2016年10月16日前，LIGO、歐洲南方天文台、我國紫金山天文台等機構紛紛發出預告，將於10月16日在全世界同步召開新聞發布會、宣布重大天文發現，大造山雨欲來風滿樓之勢。知社特邀華中師範大學物理科學與技術學院教授、博士生導師俞雲偉教授，為你解讀中子星併合引力波探測的前世今生。（參見：舉世關注的明晚引力波大新聞, 有劇透! | 引力波天文學之九）
雙星演化是恆星級雙黑洞和雙中子星形成的主要途徑。引力波時代的全面到來，同時也帶來了雙星演化這一天文學經典研究領域的又一黃金時期。知社邀請到主要從事雙星演化和應用方面研究的中科院雲南天文台陳雪飛研究員和陳海亮副研究員，為大家帶來雙星演化和恆星級引力波源形成等方面知識的介紹。
引力波
天文學上預期的引力波源是什麼，我們將採取何種探測方法？洛希模型和雙星又如何相互作用，雙星如何演化？雙中子星系統又是如何被發現、建模的？從雙中子星到恆星級雙黑洞，這期間經歷了怎樣的變遷？引力波時代，雙星演化研究又面臨怎樣的機遇？你都可以從這裡找到答案。（參見：雙星演化——恆星級引力波源的孕育和誕生之路）
最激動人心的時刻終於來到。2017年10月16日晚22點，NASA攜全球數十家天文單位宣布了引力波探測史上又一革命性的發現，人類首次探測到了中子星併合的引力波信號GW170817及其電磁對應體伽瑪暴，以及相應的貴重金屬合成信號，終將這場始於2016年2月的引力波盛宴推至最高潮。
在這場長達兩小時的新聞發布會上，LIGO執行主任大衛·萊茲（David Reitze）宣布，2017年8月17日，12點41分20秒(UTC)，也就是北京時間20點41分20秒，NASA的費米伽瑪射線空間望遠鏡發出了一個GRB170817A的伽瑪射線暴報警，這是一次到達時間在20點41分06秒的短伽瑪射線暴。
知社還特邀加州理工學院的陳雁北教授和湖北第二師範學院的范錫龍副教授來對此事件做出了評述，發表《時空與物質、廣義相對論與量子力學的完美結合》一文。（參見：量子力學與相對論翩翩起舞, 科學家在宇宙金礦挖論文金礦 | 引力波重磅）
天文學家們認定，這是一次雙中子星的碰撞事件。這次發現對前文所述幾項重要問題，有了進一步解答。天文學家們就初步確認了「短伽馬射線暴」的物理起源，初步確認了中子星的存在並且了解了它的成分，而且對宇宙中重元素的起源，有了新的實驗證據。通過對引力波強度的測量，我們獨立測量了NGC4993這個星系和地球距離，對宇宙膨脹的速率，以及宇宙的年齡又多了一個獨立的測量方法。通過對引力波和電磁波到達時間，我們對引力波的速度也有了新的測量。
引力波的被發現開啟了天文物理學的新篇章。而未來的引力波天文學又會有怎樣激動人心的發展呢？引用陳雁北教授和范錫龍副教授對引力波觀測的展望來作為本文的結尾吧：
「19世紀的最後一天，英國著名物理學家Thompson發表感慨：物理學大廈已經落成，剩下的只有修補的工作，這就好比「晴朗的天空上的兩朵烏雲」。為了去除這兩朵烏雲，物理學家們發展出了相對論和量子力學。1915年的廣義相對論，奠定了時空幾何的基礎；而後，人類利用量子力學，不但大大推動了技術的發展，對微觀世界和對宇宙，都有了革命性的新認識。
回顧一下1915年的物理學。那個時候，我們不但不理解化學反應和放射現象背後的原子物理和核物理，也不知道恆星的發光機制和演化過程，不知道銀河系外還有其他的星系，更不知道宇宙其實是在膨脹。1915年，再聰明的物理學家也不會想到，100年後的今天，我們不但會定量的研究各種元素的起源，也在探索宇宙本身的起源問題。這也許可以讓我們相信，人類對科學的探索，是沒有止境的。」
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