双信使天文学纪元来临，空间引力波天线，听宇宙最初的心跳
对于每一个热爱科学的人来说，没有什么能比找到宇宙演化的秘密更令人激动和兴奋的事情。相比于人类的历史，宇宙的历史其实简单明了，然而限于我们今天的技术能力，人类对于宇宙的探查止步于宇宙诞生之后40万年。我们这里就来探讨一下，如何倾听宇宙诞生之初的“心跳”。
20世纪初，科学家们普遍认为 ：宇宙是永恒的，没有开始也没有结束，是 一个稳定的宇宙。但是到了20世界的20年代，天文学家们的观测有了惊人的发现：宇宙在膨胀，星系彼此之间正在远离。但是对物理学不了解的小伙伴还是会问：科学家们，是哪里来的勇气可以推演宇宙的演化？
其实，这源自物理学的对称性。我们向天上扔一个石头，它向上的运动速度就会越来越慢，直到速度为零，然后下落，速度又越来越快。如果我们把这个过程用摄像机拍下来，然后倒序播放给观众看，观众并不会发现其中有什么不对。
在宇宙的大尺度范围内，发挥重要作用的是引力，而引力正是一种保守力。保守系具有时间反演对称性，这就是科学家们有能力推演宇宙演化的依据。如果星系正在退行，那么它们以前一定是比较近地靠在一起。
星系汇集在一起，物质的密度增加了，温度升高。原子溶解到它们的组成部分中。质量变成纯能量。这个倒放的电影放出137亿年或许是更久远之前的场景——我们现在观测到的整个宇宙的星系——塌缩为无限小、无限紧密的、无限热的数学奇点。
时间走到了零，宇宙开始了！
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二、宇宙年龄的测定永恒的宇宙难以想象，而宇宙有一个开始就更难想象了。它是从哪里来的？是什么导致了它的开始？但天文学的观测数据不容否认。星系退行的速度可以通过它们发出的光线到达地球之后被望远镜观测量出来。
星系的距离是从星系中星星的表观亮度——已知亮度的超新星或某些类型的变星的表观亮度——或从整个星系的表观亮度估算出来的：亮度越小的星星或者星系就会离我们越远。这个道理就跟我们看距离越远的路灯会越暗的道理是一样的。
从这个测量星系距离的方法上看，精度是很差的，这就会导致对宇宙年龄的估算要相差几十亿年。不过还好，可以确定的是，宇宙的年龄要远大于地球的年龄（46亿年），否则我们的天文观测和物理定律就一定出了什么问题。
第一种测量宇宙年龄的方法在20世纪20年代就被发展出来。利用白矮星的冷却速度来测量其年龄，这是因为，慢慢消失余烬的星星不再产生能量。
第二种测量宇宙年龄的方法是同位素法，与考古学中使用碳14不同，是通过测量古老恒星大气中放射性钍元素的的分布量。后来又找到了另外一种可以用来测量星星年龄的元素——铀。
使用放射性元素法测量宇宙的年龄为125亿年，误差33亿年。与第一种方法估算得到的宇宙年龄是一致的。
现在科学家们研发出来一种专门用于测量宇宙年龄的卫星望远镜——威尔森微波各向异性探测器（WMAP）。这架望远镜拍摄到了一张，宇宙不到40万年时（恒星和星系出现之前）宇宙雏形的图像。
有了这张图像，科学家们可以判定，那时候的宇宙是一锅炙热的粥，有等离子体能量和早期物质。大爆炸产生的波就像宇宙的“声音”，通过研究宇宙的“声音”我们就可以判断早期宇宙的特征及其年龄。通过这个方法，科学家们可以有把握地说出宇宙的年龄为137亿年，误差几十万年。
我们都知道的一个事实是，天体可以向宇宙中发出电磁波谱（光谱）的各种频率的电磁波辐射，从长波无线电波到波长非常短的伽马射线。可见光和部分无线电波可以穿透大气层，被地面上的接收天线捕捉到。
但实际上，电磁波光布的各个频率都带有有用的信息，所以科学家们开发出了运行在地球大气层之外空间中的伽马射线、紫外线、红外线以及微波望远镜，通过它们收集宇宙运行和演化的线索。
就如我们前面提到的那些测量宇宙距离和年龄的方法，不论是用表观亮度测距离，还是用放射性元素测年龄，或者是最新的利用宇宙微波背景辐射，都是在利用电磁波测量宇宙。
然而电磁波有一个很大的问题，就是它不能穿透早期宇宙所处于的等离子体状态，这就是我们前面提到的，为什么，即使是利用了最新的威尔森微波各向异性探测器来测量宇宙的年龄，仍然有几十万年的误差的原因。这也引出了我们下面要介绍的内容。
最早从理论上预言了引力波存在的科学家是爱因斯坦和艾丁顿。1974年修斯和泰勒研究了射电脉冲双星PSR1913+16，求得其轨道公转周期变小的变化率与广义相对论计算的引力波辐射造成的辐射阻尼的预言符合得非常好，从而间接地证明了引力波的存在。
2015年9月14日，LIGO科学团队与VIRGO团队终于探测到两个黑洞并合所产生的引力波。之后，在2015年12月26日、2017年1月4日、2017年8月14日分别三次探测到两个黑洞并合所产生的引力波，又在2017年8月17日探测到两个中子星并合所产生的引力波事件。
由于引力波的相干性和极强的穿透性，引力波的检测和波形的研究对于现代天文学和物理学有极其重大的意义。其意义主要包括以下几个方面：
1、引力波可以穿透超新星爆炸时产生的不透光的壳层，通过对超新星爆炸时产生的引力波形的分析，人类将首次了解到超新星爆炸过程中内核的变化情况；
2、通过引力波的研究，人类将可能直接确定黑洞的存在，可以测量黑洞和中子星的质量、结构、产生率及其在宇宙中的分布，进一步认识伽马射线暴与致密双星互绕结合的关系；
3、可以确定在极高密度下物质的物态方程；
4、可以研究早期宇宙的状态。
除了地面上类似LIGO激光干涉引力波探测仪之外，科学家们正在谋求在太空建立引力波实验室。这是因为，在低频波段（低于1赫兹），任何引力波源的低频引力波到达地球时，振幅都会比地球上的震动噪声低很多，而处于太空中的探测器则不会受到地球噪声环境的影响。
与地面干涉仪不同的是，由于航天器相距很远，激光在传播途中的大幅衰减造成空间干涉仪不能使用单纯的平面镜来反射激光，采用光学锁相的办法，将要发射信号的相位锁至接收信号的相位上再将其发射出去。
这一过程原理上是一个光学转发器，其效果和地面干涉仪的平面镜反射是相同的，本质上相当于激光从一个航天器发射，到达另一个航天器后再返回，这个延迟信号与本地的原始信号发生干涉，空间干涉仪主要就是测量这种干涉信号的相位。
早在2014年3月份，中科院罗俊院士，在华中科技大学组织的一次国际会议中提出了“天琴计划” ，并于2015年7月在中山大学正式发起，中山大学和华中科技大学正在组建研究小组开展我国空间引力波探测计划任务的预先研究，制定我国空间引力波探测计划的实施方案和路线图。
该计划，预计用20年时间，完成总投资约为150亿元的“天琴计划”。“天琴计划”已经于2015年7月份正式启动，中山大学珠海校区正在建设引力波研究所需的地面基础设施，已经启动山洞超静实验室和激光测距地面台站基础设施建设。
2016年2月21日，中山大学举行推进实施“天琴计划”研讨会，并发布其实施路线图“0123计划”，该计划将用15年—20年的时间发射卫星上天。
与美国的LIGO（激光干涉引力波天文台）相比，天琴计划引力波探测会有光学辅助手段，此外，与LIGO探测到的短时间的爆发型引力波不同，天琴探测的低频段的连续型引力波，可以持续验证。
“天琴计划”不仅仅是基础研究，‘天琴计划’发展起来的关键技术可用于很多领域，如精确测量地球重力场，使人类更加深刻地了解地球、水资源和矿产资源的分布和变化。又如精确测量距离，大到两颗卫星之间的距离，小到一个原子尺度的变化，都可以精确测算出来。
结束语人类对于宇宙的认识，是建立在物理学的基础之上，四种基本力中，电磁力和引力可以作为人类探索宇宙的强有力手段。目前，电磁手段虽然还没有达到用尽的程度，但是其局限性已经开始显现。
LIGO天文台成功探测到了引力波，无疑给宇宙学注入了一针强心剂。引力波作为不同于电磁波的一个全新窗口将对人类认识自然界和宇宙空间产生巨大影响，双信使天文学的新纪元已经来临。