新天文时代:人类用电磁波和引力波边听边看宇宙
新天文时代：人类用电磁波和引力波边听边看宇宙
望远镜是眼睛的延伸
千百年来，人类一直是在用眼睛或眼睛的延伸（望远镜）来“看”宇宙。古人用肉眼就可以看到日月星辰和银河系。后来，伽利略发明了望远镜，使得人类可以用更强大的“眼睛”去观测宇宙。我们人眼看到的可见光只是电磁波一个非常窄的波段，在可见光之外有更长的长波如红外，微波和射电波及更短的短波如紫外，X射线和伽马射线。人们于是在这些波段建造了更强大的望远镜对宇宙进行全面观测。然而，所有这些观测都是用光子信使来传递信息的。
传递宇宙信息的其它信使
我们知道宇宙有四大相互作用。光子是电磁相互作用的传播媒介。除了电磁相互作用以外，还有三种相互作用，分别是弱相互作用，强相互作用和引力相互作用。弱作用和强作用是短程力，其传递媒介不能够传播很远，但它们的产物，即中微子和宇宙线，却能够从遥远的天体到达我们。这两种宇宙信使由于时间关系我们今天不做介绍。
第四种相互作用是引力相互作用。和电磁相互作用一样，引力是长程力。与引力相对应的波
动是引力波。这是一种非常微弱的波动。人类历史上最伟大的物理学家爱因斯坦在1915年提出了著名的广义相对论。引力波是广义相对论的预言。整整一百年之后，也就是在2015年，人类才首次探测到了引力波。
奇妙的爱因斯坦场方程和引力波
听说做科普报告的时候，如果写一个公式，有一半的观众就会走掉，但是我还是要硬着头皮写下来这个公式。这是因为两个原因：第一，能来到未来论坛的观众不是一般观众；第二，这个公式太漂亮了，不得不把它介绍给大家。这就是著名的爱因斯坦场方程。
爱因斯坦场方程是用来求解时空结构的演化的。爱因斯坦发现所谓“引力”其实可以描述为时空的弯曲。在广义相对论里其实没有引力，爱因斯坦场方程只是描述如何把物质和能量（方程的右边）与时空弯曲（方程的左边）联系起来。把方程从左读到右讲的是宇宙中的物质和能量分布如何可以引起时空弯 曲，把方程反过来读讲的是弯曲的时空如何决定物质怎样运动。这是一个张量方程，全部写出有16个方程（考虑度规张量的对称性独立方程有10个）。数学上非常复杂，但物理上非常简单。更重要的是，无论你在哪个参照系，比如在地球上，在太空中，在黑洞旁边，甚至在黑洞里，这个公式都是普适的，唯一不同的是
方程的解（所谓时空度规）不同，亦即时空结构不同。
如果只是一个平坦的时空加一点小小的扰动，就像平静的湖水被微风吹了一下，这个方程就会简化很多。方程左边的扰动项可以允许被写为对时间和空间二阶导数之和（时空项符号相反）。这时如果方程右边取零的话（远离引力源），方程就简化为物理学家熟悉的波动方程。这个方程的解就是“引力波”，时空本身的涟漪。
引力波的数学形式和物理意义在今天是显而易见的，但是爱因斯坦花了20年的时间才说服自己引力波是确实存在的。又过了近30年时间，人们才确信引力波是携带能量的，因此是可以探测的。
人类首次探测到引力波
当人们还在讨论引力波的概念时，有些人就开始设计一些简单的实验去直接探测引力波了。韦伯设计了历史上第一个引力波探测器并宣称成功探测到了引力波，但是他的实验结果后人无法重复，被证明结论是错误的。真正意义上开始研制今天使用的激光干涉引力波探测器是从20世纪60年代，也就是广义相对论发表差不多50年后才开始的。从麻省理工学
院韦斯教授讨论激光干涉仪概念到2015年9月14日LIGO探测器首次探测到引力波，又过了大约50年。
第一例引力波事件，即GW150914（以探测日期命名），起源于两个约为35和30个太阳质量的黑洞的并合，最终形成一个约62个太阳质量的大黑洞。从此 人类进入引力波天文学时代。因为引力波是一种全新的信使，可以比喻为一种新的感官。从某种意义上讲，人类现在可以用引力波来“听”宇宙了。
两年以后，2017年8月17日，LIGO第一次探测到了两个中子星的并合以及它的多波段电磁辐射对应体。人类第一次可以用引力波和电磁波边“听”边“看”宇宙。
天体的演化及最终产物
在讲述宇宙中的引力波源之前，我们先讲讲宇宙中有哪些天体以及它们如何演化。一个人的一生乃至整个人类历史在漫长的宇宙演化过程中只是一瞬间，人们无法观测到一颗恒星从生到死的演化。然而通过观测许多处于不同演化阶段的恒星并利用普适的物理规律，天体物理学家们能够理解天体的演化。
归根到底，理解天体演化就是理解各种天体如何抗衡引力。任何有质量的东西都有引力，引力的目的就是把所有东西都相互吸引，聚集起来，最后变成黑洞。宇宙中除黑洞外的所有星体都有某种机制抗衡引力，比如我们的太阳由热核反应产生的热压强可以抵御引力。假如有一天太阳核燃料烧尽了，太阳中心就会由于不能抗衡引力而坍缩。
天体引力坍缩的最终结局与它的初始质量有关。如果质量不是很大，比如像太阳，最后会产生白矮星（WD），一种由所谓电子简并压抵御引力的天体。 这种天体把太阳质量大小的东西挤进了地球大小的尺度。如果恒星的初始质量再大一点，坍缩后的天体超过1.4个太阳质量左右，最终的产物比白矮星要小的多，半径10公里左右，只有一个小城市大小。这种产物由所谓中子简并压抵御引力，叫中子星（NS）。大家知道，所有原子都是由原子核和带负电的电子构 成的，原子核由带正电的质子和不带电的中子组成。形象地理解，当引力足够强时，所有的电子都被挤进原子核里与质子结合为中子，所以中子星基本上由 中子组成。
如果天体的质量再大，中心质量超过某个质量上限的话（介于2到3倍太 阳质量之间），没有任何机制可以抗衡引力，该天体就形成了黑洞（BH）。
黑洞是宇宙中最神秘也是最简单的天体。它的引力足够强，以至于宇宙中传播速度最快的光都无法逃离。它的尺度，所谓的史瓦西半径，可以用以上简单公式描述，其中G是万有引力常数，c是光速。对于任何质量的东西，只要能把全部物质挤进这个尺度半径的球体内，就会变成黑洞。这是个很小的尺度，对于太阳来说，要把它挤进半径为3公里的球体里才可以成为黑洞。地球要变成黑洞需要被挤进半径小于1厘米的球才可以。在天体物理中通过恒星演化不可能产生低于2倍太阳质量的黑洞。
猛烈的宇宙
宇宙看似平静，但其实是猛烈的。恒星演化产生的致密天体，包括黑洞和中子星，是宇宙中剧烈活动的天体源（如下图所示）。单个中子星快速旋转会由于灯塔效应产生射电脉冲，一些与中子星有关的天体会发射短暂且明亮的快速射电暴，在双星中的中子星会从伴星吸积物质发生X射线爆发，一些极强磁场的中子星会由于此活动产生软伽马射线爆发。
大质量恒星死亡会伴随超新星爆发现象，有些极端的超新星还会伴随伽马射线暴。星系中心的大质量黑洞由于突然吞噬大量物质会产生多波段爆发。两个黑洞，两个中子星，或一个中子星一个黑洞在并合的时候也会伴随着包括引力波在内的剧烈的观测现象。
哪些天体辐射强引力波
什么样的天体是强引力波辐射源呢？要回答这个问题需要从引力波辐射的原理说起。我们知道我们熟悉的电磁辐射是所谓的偶极辐射，当一个电荷加速时就能产生辐射。引力波是由运动的质量引起的，因为质量没有正负之分，引力波辐射是所谓的四级辐射。换句话来说，不仅质量需要加速，加速度本身也要有加速度（随时间变化）才能辐射引力波。听起来比较难实现，实际上所有相互绕转的天体都自然而然是引力波源。为什么？因为在绕转的过程中，它们的加速度方向亦即万有引力的方向都在随时间不断变化，所以所有的双星都能产生引力波。万有引力常数
关键是大部分双星产生的引力波太弱了。简单起见我们可以考虑两个相同质量的天体相互绕转，其引力波辐射功率（或引力波光度）可以写作如下简单公式：
我们可以先不考虑f（e），因为如果轨道近圆的话它基本等于1。可以看出，引力波光度决定于一个由基本常数决定的量（光速的5次方除以引力常数）和一个（rs/ a）^5因子的乘积，其中rs就是前面提到的史瓦西半径，也就是星体质量对应的黑洞半径（比如太阳的史瓦西半径只有3公里），而a是双星轨道的半长轴（对圆轨道就是半径）。因为一般rs远小
于a，再加上5次方，所以这个因子是非常非常小的。也就是一般双星的引力波辐射微乎其微。
什么样的源产生引力波非常强呢？根据以上公式，只有a小到接近于rs的时候引力波辐射才会最强。这要求并合的星体要足够致密，即它的真正尺度要非常接近史瓦西尺度（显然太阳和一般恒星不满足此要求）。双黑洞并合首当其冲，因为两个黑洞的距离a原则上可以小到只有2倍rs。中子星是第二种足够致密的天体。因为其尺度比相应的史瓦西尺度大了两倍多一点，所以中子星和黑洞的并合或双中子星的并合也可以给出足够强的引力波辐射。

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