问伊森: 引力波会像光一样红移吗?

发布日期：2026-04-28 11:58 点击次数：69

当光穿越宇宙时，会受到宇宙膨胀、变化的场和相对运动的影响。那引力波呢？

两个合并后形成黑洞的中子星附近扭曲时空的数学模拟。彩色条带是引力波的波峰和波谷，颜色会随着波振幅的增加而变得更亮。携带最大能量的最强波出现在合并事件即将发生时和发生期间。事件视界外发生的事情实际上不受中心是否存在环状奇点或其他非奇异的延展物体的影响。来源：SXS合作项目

宇宙学中最重要的概念之一是红移，它不仅来自引力场的变化或光源与观测者的相对运动，还来自宇宙的膨胀。这种效应主要因对所有初始波长的光产生影响而为人所知——从伽马射线到可见光再到无线电信号，但它影响的应该不只是光。我们知道它对物质粒子的影响机制，但它对引力波的影响如何呢？尽管许多效应是相同的，但对引力波的观测挑战要严峻得多。这是我们目前对该问题的了解。

在我们的宇宙中，从天体发出的光不一定与到达我们眼睛或仪器的光相同。不仅有许多中间效应会在传播途中改变信号——比如与场相互作用、穿过中性和电离物质，以及需要与噪声源竞争——还有动力学（基于运动）和引力（基于时空）效应也会在信号传输过程中改变它们。特别是，三种主要效应都能系统性地将任何波长的光移向更红或更蓝的波长：

发射源与接收观测者的相对运动、传播中的信号在其行程中所经历的引力场变化，以及信号所穿过的时空的膨胀或收缩效应。

这三种效应会导致红移或蓝移，具体取决于它们发生的方向，而且长期以来人们一直认为它们会以类似的方式影响所有波，而不仅仅是光波。既然我们已经进入引力波直接探测的时代，情况确实如此吗？这正是比尔斯塔特斯想知道的，他简单地问道：

引力波的红移与光等辐射的红移是一样的吗？

引力波是一种辐射形式，虽然它们与光波有许多相似之处，但也存在一些根本差异。以下是红移现象对引力波适用和不适用的情况。

在卢瑟福原子模型中，电子绕带正电的原子核运行，但会发射电磁辐射并导致轨道衰变。这需要量子力学的发展以及玻尔模型的改进，才能解释这个明显的悖论。来源：JamesHedbergCCNYCUNY

关于引力波，你首先要明白的是它们实际上是一种辐射形式。正是对以下事物之间相似性的认识：

电子在电场（或磁场）中加速时，为何必须辐射以守恒能量和动量；以及质量在引力场中加速时，为何也必须辐射某种类型的辐射以守恒能量和动量。

这导致了引力辐射必然存在的推导。正如你所见，这对原子来说是个大问题，正如卢瑟福首次发现的那样——需要一套全新的物理学（量子物理学）来解释原子为何不会表现出这种异常。

不过，就引力而言，如果一个质量在另一个质量产生的引力场中运动——也就是在弯曲时空中运动——这个质量就会加速。对于一个质量绕另一个质量运行（比如行星绕恒星运行）的情况，这种加速度既非球形又不对称，为了守恒能量和动量，就必须发射引力辐射。这种引力辐射在很多方面与传统的电磁辐射相似，但在一些深刻的方面有所不同。

当两个黑洞合并时，它们的很大一部分质量会在极短的时间内以引力波的形式转化为能量。在更长的时间尺度上，存在一个早期阶段，此时这些黑洞以1到10年的周期相互绕转，而脉冲星计时能够探测到宇宙中这类系统的累积效应。尽管这些系统会发出自大爆炸初期以来最具能量的引力波，但引力波本身几乎不与物质相互作用，这使得它们极难被探测到。来源：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心

相似之处在于：

这种辐射携带能量，但本身没有质量。引力辐射在真空中以光速传播：与电磁辐射的速度相同。引力辐射从产生它的源向外传播，并在时空中传播。

然而，也存在着深刻的差异。

电磁辐射很强，因为两个质子之间的电磁力比这两个质子之间的引力强30多个数量级。因此，引力辐射的强度比电磁辐射弱得多，也难检测得多。电磁辐射本质上是偶极辐射；要产生引力辐射，你的引力系统需要在多个维度上发生某种形状变化，仅仅来回移动一个质量是不会产生引力辐射的。而电磁辐射能很容易地与我们熟悉的普通物质相互作用（因为构成我们的粒子是带电的），引力辐射则几乎不与物质相互作用，大部分会不受影响地穿过物质。

当引力波穿过空间中的某个位置时，它会在交替的时间和交替的方向上引起膨胀和压缩，导致激光臂长度在相互垂直的方向上发生变化。利用这种物理变化，我们研发出了像LIGO和Virgo这样成功的引力波探测器。不过，与这幅插图不同的是，引力波并非简单地在管道中传播，而是在整个三维空间中扩散开来。

这意味着，任何因与物质（无论是中性物质、电离物质，还是由物质产生的电磁场）相互作用而导致电磁波频率偏移的效应，都不适用于引力波。顾名思义，引力波（或引力辐射）是一种纯引力现象，因此它只应受纯引力效应的影响。这意味着存在：

引力波没有桑尼亚耶夫泽尔多维奇效应，引力波没有波长相关的吸收、发射或散射，且引力波在穿过介质时不会发生偏转、反射或折射。

它们就那样径直穿过，以光速行进，不受发射源和接收到它们的观察者之间任何事物的影响。

然而，作用于时空本身、影响其曲率、膨胀、收缩或演化的纯引力效应，对引力波的影响应该和对光的影响一样显著。这意味着，如果空间是弯曲的，不仅光会通过引力透镜发生弯曲和畸变，引力波本身也应该受到引力透镜的影响。虽然目前我们拥有的引力波探测器（如LIGO和脉冲星计时阵列）并不特别擅长观测这种透镜效应，但它确实存在，而且未来一些拟议中的引力波探测器应该能对引力透镜效应敏感。

这张对巨型星系团阿贝尔S1063的超深场图像，是通过JWST在9种不同近红外波长下累计120小时的观测获得的。颜色代表相对波长，其中最红的天体突出显示了被前景巨型星系团引力透镜效应放大的最遥远背景星系。同一背景星系在图像中多次出现，这是引力透镜效应所致。

这就剩下三种确实会影响引力波波长的主要效应，它们可能导致红移（不过在合适的情况下也可能导致蓝移），并且对所有波长的引力波产生同等影响。最后这一点很重要：几乎所有中间物质对电磁辐射的影响都会导致我们所说的色散效应，即不同波长的光会被中间物质以不同方式改变。这种情况在光身上会以多种不同方式发生。

不同波长的光在从一种介质进入另一种介质时，减速的程度不同，折射的角度也不同。特定短波长的光会被一定大小的粒子吸收，而特定长波长的光则能不受阻碍地穿过这些粒子。而能量极高的光会发生一些低能量光不会发生的相互作用——比如粒子产生、轫致辐射、与带电粒子相互作用的大截面等。

对所有形式的光和所有波长的引力辐射都产生同等影响的三种效应如下：

光源与观测者的相对运动、引力红移蓝移的净效应，以及辐射在传播期间宇宙的膨胀。

让我们分别来看这三者中的每一个，以了解它们的效果。

一个接近光速运动且发光的物体，其发出的光会因观察者的位置不同而出现偏移。在物体左侧的观察者会看到光源远离自己，因此光会发生红移；在光源右侧的观察者会看到光发生蓝移（即移向更高频率），因为光源正朝自己移动。来源：TxAlien维基共享资源

1.)波源与观测者的相对运动

你小时候有没有听过冰淇淋车的声音？如果听过，你可能记得：当它播放的歌曲音调比平时高时，就知道它正靠近你；音调正常时，它保持在同一距离；音调比平时低时，它正远离你。同样的现象也发生在警笛声、救护车警报声或飞机轰鸣声中。这被称为多普勒效应，适用于所有形式的波：声波、水波、光波，甚至引力波。

如果声源在发声时向你移动（如上图右侧所示），你会看到声波被压缩，即蓝移。如果声源在发声时远离你（如上图左侧所示），你会看到声波被稀疏，即红移。而如果是你（观察者）在移动而不是声源，效果是一样的：向声源移动时会蓝移，远离声源时会红移。

对于引力波而言，如果产生黑洞旋进与并合的系统正在远离你，那么你观测到的波长会因该源相对于你（观测者）的相对运动所决定的多普勒频移速度而发生精确的红移。

当辐射量子离开引力场时，其频率必须发生红移以守恒能量；当它落入引力场时，则必须发生蓝移。只有当引力不仅与质量相关，还与能量相关时，这一点才说得通。引力红移是爱因斯坦广义相对论的核心预言之一，但直到最近才在银河系中心这样的强场环境中得到直接验证。

引力红移

这是红移的另一种形式，即波长被拉伸得更长。同样，反过来也成立——可以据此确定红移或蓝移的量。

然而，当我们处理宇宙尺度的问题时，还有一个额外的因素会起作用。

将更多物质吸入其中，其引力势能随时间增长；将内部物质释放到周围密度更大的区域，其引力势能随时间减小；或者是两者的结合，此时引力势能总体上可能增加、减少或保持不变。

如果从波进入到离开的这段时间内势能出现净增长，就会额外留下净红移的印记；如果势能收缩，则会额外留下净蓝移的印记。波所经过的所有累积区域，以及发生的所有增长和收缩，都会像初始和最终的引力势能一样，在波上留下印记。所有这些因素的总和构成了包括引力波在内的所有波的净引力红移蓝移。

光或任何类波信号可能以特定波长发射，但宇宙膨胀会在其传播过程中拉伸它。对于其光来自非常遥远星系的情况，紫外线发射的光会一直红移到红外区域，引力波也会以完全相同的因子被拉伸。宇宙膨胀加速得越快，来自遥远天体的辐射红移就越大，这些信号看起来就越微弱。

3.）宇宙的膨胀。

这是最主要的因素：它导致了宇宙中几乎所有天体的大部分净红移。根据广义相对论，随着宇宙膨胀，空间本身的结构也会拉伸。这种拉伸（即膨胀）会导致任何穿过它的物体的波长也随之拉伸。

电磁波（或光）的特定波长会变长。具有动能的粒子，其能量中的动能项（由其在空间中运动的相对速度决定）也会发生膨胀，从而降低其能量并实际上使其减速。引力波（或引力辐射）的波长也会变长：其波长延长的系数与光子的波长延长系数相同。

这意味着，红移z0.5的引力波源（约52亿年前发出）在被观测到时，其波长会延长到原始波长的150%；红移z2的引力波源（约105亿年前发出）的观测波长将是其原始波长的300%。如果我们看迄今为止观测到的最远单个天体——红移z14.4的MoMz14（135亿年前发出），其观测波长将是原始发射波的1540%。

在宇宙尺度上，是空间的拉伸以及宇宙的膨胀对遥远光源观测到的最终波长产生主导影响。

这张图展示了引力波GW231123的信号，该引力波被LIGO汉福德和LIGO利文斯顿探测器同时观测到。底部频谱图中明亮的颜色对应最强的信号振幅。来源：LIGOVirgoKAGRA合作组

这导致了我们实际观测到的大多数引力波信号存在一种简并性。当然，无论何时我们观测到引力波，我们能测量的内容都存在不确定性。

我们可以测量频率，但必须从少数探测器的噪声背景中提取它，这意味着测量存在不确定性，而这正是我们所观测到的。我们必须对产生这些波的系统进行模型模板匹配，而我们目前只知道如何在广义相对论框架下构建模板，这些模板对应于源静止参考系中两个物体的合并过程。尽管我们的软件和建模技术很先进，但我们只能提取总红移的估计值：无法区分其中有多少是宇宙学红移，多少是由多普勒运动或引力势差异引起的。

这些不确定性不算很大，但确实存在。黑洞自旋和黑洞轨道偏心率之间也存在一些简并性：仅用两三个探测器时，很难确定双黑洞合并事件的真实质量，因此也难以准确知道它们发生时的红移值。

例如，随便举个例子，一次大质量双黑洞合并事件的主黑洞最佳拟合源质量为142个太阳质量，次黑洞为85个太阳质量。但这些数值的每一个都存在约20%的不确定性（红移值也相应如此），因为距离更近的低质量合并或距离更远的高质量合并产生的信号振幅大致相同。另外，质量更接近（每个约100个太阳质量）的高偏心率合并也可能符合数据。

这张鹰图展示了黑洞和中子星，它们以质量为函数，通过引力波事件（蓝色和橙色）或电磁信号（红色和黄色）被探测到。随着LIGO观测运行数据的不断积累，目前已探测到大量可靠的引力波事件，还有更多事件正在处理中。来源：LIGO室女座神冈引力波探测器亚伦盖勒西北大学

如果你深入研究一篇引力波论文，你会经常看到啁啾质量这样的术语，它定义了天体合并前最后几圈到合并过程中引力波的频率，这是有原因的。我们探测到信号的这些天体，其红移距离和质量都存在合理的不确定性，要改进这一点，唯一的方法是增加更多引力波探测器，并建设新一代更先进的引力波观测站。

但仔细想想，这真的很了不起——就在不久前，我们还不知道引力波是否能被直接探测到，甚至连一次成功的探测都没有。如今，我们已经确认了数百个引力波事件（还有上百个正在处理中），通过两种完全不同的方式（脉冲星计时和激光干涉测量）探测到了它们，甚至还对同一个独特事件同时进行了光和引力波的探测——这毫无疑问地证实了引力波的宇宙学红移。

是的，引力波会像光一样，因宇宙膨胀而以同样的基本方式发生红移；随着时间推移和科学进步，我们完全期望能以比以往任何时候都更高的精度和准确度来测试并确认光与引力波行为之间的相似性和差异性

科学与技术天体物理学宇宙膨胀天文学宇宙学