9月26日，廣東省中山大學珠海校區(qū)發(fā)生了一件大事：國家航天局引力波研究中心在這里正式揭牌成立。引力波是當今世界最尖端的天體物理學研究方向之一，也是揭示宇宙最極端天體秘密的重要手段。

（圖片說明：國家航天局引力波研究中心揭牌成立）

那么，引力波到底是什么？它到底有多重要呢？今天，咱們就來介紹一下。

引力波

1915年，愛因斯坦提出了著名的廣義相對論，告訴我們引力不過是時空扭曲的結果，一個物體的質量越大，形成的時空曲率就越大。當這個物體在時空中運動時，就會不斷地改變瞬時位置的時空曲率，從而形成時空的漣漪，以光速傳播到宇宙空間。

理論上來說，任何有質量的物體都會引起時空漣漪。但從實際上講，即便是極其巨大的天體，引起的時空漣漪都非常微弱。甚至有的時候，需要兩種巨大的天體發(fā)生碰撞所產(chǎn)生的波動，才能被我們發(fā)現(xiàn)。

（圖片說明：愛因斯坦預言了引力波）

在解釋引力波的時候，我喜歡舉一個例子：一個湖的中心泊著兩條小船，由于湖太大，岸邊的人是看不見船的，也很難看見船在水面壓下去的凹陷。但是，當這兩艘小船撞在一起時，就會掀起比較大的漣漪，這種漣漪傳播到岸邊，雖然也已經(jīng)極其微弱了，但在足夠精確的設備面前，還是可以被觀測到。

這就是引力波，天體本身導致的時空扭曲，如果沒有物質圍繞它公轉，我們就很難觀測到。相比之下，如果是兩個天體碰撞產(chǎn)生的時空漣漪，還是有機會被我們捕獲的。不過，即使是這樣的情況下，天體本身也要足夠大，也就是需要兩顆致密星，即白矮星、中子星或者黑洞之間的碰撞。

（圖片說明：引力波動畫）

宇宙時空的漣漪

2015年9月14日，科學家們首次在宇宙中探測到引力波信號。他們非常興奮，隨即進行了分析。結果發(fā)現(xiàn)：這個引力波來自于13億光年外，也就是說，它形成于13億年前。產(chǎn)生這個引力波的是兩個黑洞，它們在茫茫宇宙中相遇，在漫長的歲月里相互旋轉，螺旋式靠近，最終碰撞在一起，形成了強烈的時空漣漪，最終被我們觀測到，并被命名為GW150914。

在愛因斯坦提出廣義相對論的整整100年后，關于引力波的預言終于得到了證實。2016年2月，科學家們正式對外宣布了這一重大發(fā)現(xiàn)。自此以后，陸續(xù)又有許多引力波事件被發(fā)現(xiàn)，其中不僅包含了雙黑洞并合，還有雙中子星的碰撞、黑洞吞噬中子星、甚至還有雙白矮星的碰撞。

（圖片說明：雙黑洞并合）

引力波的發(fā)現(xiàn)，可以說是為天體物理學研究打開了一扇新的大門。致密星是宇宙中最極端的天體，它們之間的碰撞是宇宙中最極端的事件，而引力波就能向我們展示這里蘊藏的秘密。

而且，引力波的一些特性非常重要，是它成為人類觀測宇宙的重要工具的關鍵原因。它不需要周圍有任何物質，所以有些不會釋放電磁波的現(xiàn)象只能通過引力波來研究；而且引力波幾乎不會被天體阻擋，所以可以穿越茫茫的宇宙，給我們傳遞信息。

可以說在今天，引力波是研究宇宙天體的最重要工具之一。為了更好地揭示宇宙的秘密，世界各國競相發(fā)展引力波探測技術。那么，人類到底是如何探測引力波的呢？

（圖片說明：激光干涉儀引力波天文臺）

引力波探測

說起來，引力波探測的原理并不難理解。

首先，我們需要建造兩個長度相等、相互垂直、呈L形放置的管道，并在交叉點放置一臺激光器。發(fā)射出來的激光通過分光器射到兩個管道的盡頭，在這里反射回來，重新匯聚并發(fā)生干涉。

（圖片說明：意大利的室女座干涉儀）

如果沒有引力波，那么它們傳播的距離就是相等的，干涉后的結果是相互抵消。如果有引力波經(jīng)過，那么就會導致時空發(fā)生扭曲，兩束激光經(jīng)過的長度就不相等了，這就會導致干涉圖樣發(fā)生變化。通過對干涉圖樣的分析，就可以發(fā)現(xiàn)引力波，并獲取該事件的一些細節(jié)。

目前世界上最先進的引力波實驗有兩個，一個是位于美國的激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）并在升級后改造為Advanced LIGO，簡稱ALIGO；另一個是位于意大利的室女座干涉儀（Virgo）。人類首次發(fā)現(xiàn)的引力波事件GW150914，就是這兩個實驗團隊共同發(fā)現(xiàn)的。

（圖片說明：激光干涉空間天線）

除此之外，美國還在積極推進天基引力波實驗的發(fā)展，那就是激光干涉空間天線（LISA）。根據(jù)美國宇航局的消息，LISA的組建預計在2034年完成。

考慮到引力波探測如此重要，逐漸成長為世界天文強國的我們自然也不甘落后，提出了自己的引力波探測計劃。雖然目前還沒有完全建成，但未來將會和其他國家分庭抗禮。

我國的引力波探測計劃

（圖片說明：國家航天局副局長吳艷華與中山大學校長、國家航天局引力波研究中心主任羅俊院士為中心揭牌）

實際上，我國不止有一個引力波探測計劃。

• 太極計劃

早在2008年，中科院力學所國家微重力實驗室胡文瑞院士就號召成立了中科院空間引力波探測工作組。2016年，他和吳岳良院士又支持了空間太極計劃，計劃在2033年的時候發(fā)射三顆衛(wèi)星來進行引力波探測，而且在2019年8月31日就已經(jīng)發(fā)射了“太極一號”衛(wèi)星。

（圖片說明：太極計劃示意圖）

• 阿里實驗計劃

中科院高能物理研究所還提出過一個阿里實驗計劃，旨在通過建設與西藏阿里地區(qū)的一臺射電望遠鏡實現(xiàn)對引力波的探測，目前該計劃還在預研階段。

• 天琴計劃

（圖片說明：天琴計劃超靜實驗室）

而這一次在中山大學珠海校區(qū)成立的國家航天局引力波研究中心，就是由中山大學校長羅俊在2014年提出的天琴計劃——不得不說，光是這個名字就已經(jīng)相當漂亮了，致密星真的就像是琴弦一樣在時空中波動漣漪，天琴兩個字又頗有中國古風，這名字簡直絕了。

說起來，和太極計劃以及美國的LISA一樣，天琴計劃也是天基引力波探測實驗。根據(jù)計劃，我們需要發(fā)射三顆天琴衛(wèi)星，在距離地表10萬公里的高空組建一個等邊三角形。

（圖片說明：天琴一號衛(wèi)星）

2015年，天琴計劃在中山大學被正式發(fā)起，彼時距離人類首次接收到引力波還有2個月。在2019年12月20日，試驗星“天琴一號”正式發(fā)射升空。2020年6月，位于中山大學珠海校區(qū)內(nèi)“天琴計劃”山洞長達1108米的超靜實驗室隧道全線貫通，該項目的科研設備都將集中在這里，科學家們會在這里進行數(shù)據(jù)分析。

根據(jù)計劃，“天琴二號”衛(wèi)星將在2025年發(fā)射升空，天琴計劃正式完成組網(wǎng)的時間大約在2035年，和美國的LISA差不多。但是從探測波段來講，它是LISA的10倍左右。它可以持續(xù)觀測低頻段的連續(xù)型引力波進行探測，這是目前的LIGO和未來的LISA力所不能及的。

（圖片說明：天琴衛(wèi)星）

總之，到天琴計劃組建完成的那一天，它很有可能將是當時世界上最強大的引力波探測天文臺。相信到那個時候，我國的天文學，也已經(jīng)走在世界的前列了。