我们要去太空探测引力波了，走之前在山洞里模拟了一下

6月5日，“天琴”计划的重要基础设施—山洞超静实验室隧道全线贯通，为明年的交付奠定了基础。“天琴”计划是中国的空间引力波探测计划，在探测器真正上天运行之前，各种仪器、技术等必须经过地面模拟实验的测试，以保证它们的可靠性。在山洞里进行模拟实验，受外界环境干扰较少，取得的数据更精确，这便是山洞超静实验室的意义所在。

天琴卫星编队（由SC1, SC2, SC3三颗卫星组成）（来自中山大学天琴中心官 ）

那么什么是引力波？“天琴”又是一个什么样的计划？我们邀请国家天文台郭潇博士就相关问题向读者做科普解读。

问：先来和读者简单介绍一下引力波？

答：1915年，爱因斯坦提出的广义相对论认为，引力不是一种力，而是时空弯曲的效应。大质量的物体会使周围的时空弯曲，不受力的物体在弯曲的时空里走短程线。弯曲时空里的短程线就像在平直时空里的直线一样。

既然时空可以弯曲，那么我们可以把时空想象成一张柔软的蹦床，当一个大质量的天体放在“蹦床”上，会把时空“压”弯。爱因斯坦又告诉我们，这种时空弯曲的状态向外是以光速传播到远处的。而此时，倘若这个大质量天体又是在运动中的，比如蹦床上有两个相互绕转的球，你会看到，这张“蹦床”弯曲的状态也会随着两个“球”的绕转不断变化。我们也可以看成是这两个“球”的转动对时空弯曲的状态造成了扰动，这种扰动以波的形式按光速向外传播，它就是引力波。

双黑洞绕转产生的引力波的艺术想象图

单个静止的大质量天体，比如只有一个太阳是不足以产生引力波的。正如只有振动的物体才会产生声波那样，只有运动的天体才可以产生引力波。只是通常地球上产生的引力波都太微弱了，比如偌大的地球绕太阳旋转而辐射的引力波的功率也不过200瓦，也就相当于一个灯泡的亮度。

风声，雨声，读书声，声声入耳，我们的世界里充满了形形色色的声音。宇宙中也充满了各种各样的引力波：绕转的双星、旋转的脉冲星、超新星的爆发、早期宇宙的相变、可能存在的宇宙弦等等都能产生引力波，处处都充满了引力波这种“声音”，不绝于耳。这里面比较强的引力波源主要是大质量的致密天体，比如白矮星、中子星、黑洞的双星绕转或并合。到目前为止，激光干涉引力波天文台已经探测到十几例双黑洞或中子星并合的引力波事件，这说明宇宙中并不缺少引力波的“声音”，只是缺少发现引力波的探测器。

问：引力波探测器的工作原理是怎么回事儿？这项工作是怎么获得诺贝尔物理学奖的？

答：好比人类通过耳膜的振动来获取声音，引力波探测器则是我们“倾听”引力波的“耳朵”。

引力波探测器根据其原理的不同，可以分为两类：一类是共振探测器，另一类是干涉仪探测器。

共振探测器可能做成棒状或球状，探测器在引力波的驱动下会发生共振，好比远处有一顶大钟被人敲响，而我家里也有一座钟，它们的固有频率相近。声波是携带着能量的，当它传到我家的时候，我家的钟被声波所驱动，也发生了振动。我们看到我家的这座钟在振动，就能感知远处声波的存在。类似的，人们最开始是通过检测共振探测器振动的信号来探测引力波信号。但这种探测器精度不高，一直未能真正探测到引力波信号。于是人们把引力波探测器寄希望于另一种更精密的仪器——干涉仪探测器。

干涉仪探测器主要是基于十分精密的激光制成的干涉仪。通常干涉仪有两条臂，一束激光被分成两束，经过两条臂后被反射回来又叠加在一起。激光也是波，如果是波峰与波峰相遇，相互叠加后波的振幅就会加强，出现亮纹；如果是波峰与波谷相遇，就会相互抵消，出现暗纹。亮暗纹之间的亮度差异很大，可以被灵敏的光探测器探测到。究竟是出现亮纹还是暗纹取决于两条臂的长度差。由于光的波长只有几百纳米，因此激光干涉仪测量的长度也可以精确到几百纳米这么细微。当引力波经过干涉仪时，由于引力波是时空弯曲状态的传播，弯曲的时空里，干涉仪两条臂的长度都可能会发生变化，尽管很细微，比如对于4公里的臂长，通常引力波引起的变化还可能不到一个原子核大小的千分之一，但只要两者长度变化不一致，就能被精密的激光干涉仪检测出来。对于同样强度的引力波信号，增加臂长或直接提高仪器对长度变化的测量精度都能提高探测引力波的灵敏度。

激光干涉引力波天文台（LIGO）就是基于激光干涉仪原理建成的探测器。1990年，LIGO计划被美国国家基金会批准；1994年，LIGO位于利文斯顿和汉福德的两台探测器开始建造；1999年完工，2002年开始观测；2010年LIGO的初级阶段结束，开始升级成为更灵敏的“先进LIGO”；2014年升级完成并开始继续观测。LIGO的臂长本身就已经达到了4公里，在先进LIGO的设计中，它使用了法布里-珀罗腔让激光能够在腔内被反射几百次，使得干涉仪的等效臂长增长了几百倍，从而对引力波更加灵敏。2015年9月14日，LIGO探测到第一例双黑洞并合产生的引力波事件；2017年10月3日，领导LIGO合作组的三名美国科学家雷纳?韦斯、巴里?巴里什、基普?索恩获得了2017年诺贝尔物理学奖。

问：“天琴”计划要把探测器放入太空，具体的思路是什么？

答：为了测量更加微弱的引力波信号，建造臂长更长的激光干涉仪，同时避免地面上噪声的影响，于是人们把目光投向了太空。

“天琴”就是一台太空中的激光干涉仪。它拟把三颗卫星发送到离地面10万公里高的地球轨道上，组成一个边长约17万公里的等边三角形阵列，跟随着地球一起绕太阳公转。三颗卫星之间相互发射激光，同时相互接收彼此发射的激光，利用激光来测量三颗卫星之间的距离。当引力波经过时引起每个臂长微小的变化，都能被干涉仪检测到。

与LIGO相比，“天琴”的臂长要长得多，因此对激光测距的精度不要求那么高。并且“天琴”与LIGO探测到的引力波的频率波段也不同。LIGO探测到的是10-1000赫兹的高频引力波，“天琴”等空间引力波探测器可以探测到0.1毫赫兹-0.1赫兹的低频引力波。此外，“天琴”与LIGO干涉仪的位形也不同，LIGO只有两条臂，是L型的，它需要多台地基的干涉仪联合起来探测，才能大致确定引力波源的位置。这是因为引力波探测器就像我们的耳朵那样对于引力波来自哪个方向并不敏感，单凭一只“耳朵”难以确定引力波的方位，想要比较准确定位引力波源的位置，至少需要三只这样的“耳朵”。而天琴的三角形干涉仪，可以方便确定引力波源的方位。

去年12月20日，“天琴一号”卫星发射，中山大学主导的空间引力波探测计划——“天琴”计划迈出了关键的一步。在对多种核心技术进行在轨验证后，还将发射星间激光干涉测量技术试验双星（“天琴”二号），对星间激光干涉测量技术进行在轨验证。在各方面核心技术成熟之后，约在2035年前后将发射三颗天琴卫星构成编队，在太空中进行引力波探测。

目前“天琴”一号已经完成在轨技术验证，“天琴”一号无拖曳飞行的控制精度可以达到30纳米以内，优于国际上著名的“LISA探路者”的40纳米。

“天琴”以及其他的空间引力波探测器，比如中国的“太极”计划和欧美合作的激光干涉空间天线计划（LISA），能够在双中子星或黑洞并合之前的绕转阶段就探测到它们，为LIGO等提供预警，还能探测到很多LIGO“听”不到的引力波源，比如双白矮星、大质量的双黑洞等等。它能“听”到遥远的双黑洞产生的引力波，使我们得以窥听早期宇宙的奥秘；它能探测到质量相差成千上万倍的黑洞双星的绕转，对引力波波形进行相当准确的测量，从而检验爱因斯坦引力理论是否有偏差。

问：在空间探测引力波，我们国家还有一项“太极”计划，具体又是怎么回事儿？

答：“太极”计划是中国的另一项空间引力波探测计划，由中国科学院主导。它也是由三颗卫星组成的等边三角形编队形成的激光干涉仪，科学目标也比较类似。不同的是，它运行的轨道不再是围绕地球转的地球轨道，而是地球绕着太阳公转的太阳轨道，位置在地球前方或后方20度左右，以尽量减小地球引力的影响。这是它比“天琴”占优势之处，因为地球引力的噪声也影响引力波探测。不过“太极”的轨道离地球更远，导致它的发射成本更高。

“太极”和LISA的轨道示意图，左边的绿三角是“太极”计划，右边的是LISA

目前在国际上，还有欧美合作的激光干涉空间天线计划（LISA）也在进行中。“太极”的轨道与LISA的轨道类似，二者一前一后，随同地球围绕太阳公转。“太极”的臂长比“天琴”长，达到300万公里，比LISA的250万公里还长。“太极”计划也有类似的三步走，预计2033年前后发射三颗星到预定轨道组成空间引力波探测器。2019年8月31日，“太极”一号卫星成功发射，并于12月25日成功完成在轨测试。