当一个引力波通过一个观测者的时候因为应变(strain)效应，观测者就会发现时候时空被扭曲当引力波通过的时候，物体之间的距离就会发生有节奏的增加和减少这个频率对於这了引力波的频率。这种效应的强度与产生引力波源之间距离成反比绕转的双中子星系统被预测，在当它们合并的时候是一个非常強的引力波源，由于它们彼此靠近绕转时所产生的巨大加速度由于通常距离这些源非常远，所以在地球上观测时的效应非常小形变效應小于1.0E-21。科学家们已经利用更为灵敏的探测器证实了引力波的存在目前最为灵敏的探测是aLIGO，它的探测精度可以达到1.0E-22更多的空间天文台(歐洲航天局的eLISA计划，中国的中国科学院太极计划和中山大学的天琴计划)目前正在筹划当中。

引力波应该能够穿透那些电磁波不能穿透的哋方所以猜测引力波能够提供给地球上的观测者有关遥远宇宙中有关黑洞 引力波和其它奇异天体的信息。而这些天体不能够为传统的方式比如光学望远镜和射电望远镜，所观测到所以引力波天文学将给我们有关宇宙运转的新认识。尤其引力波更为有趣的是，它能够提供一种观测极早期宇宙的方式而这在传统的天文学中是不可能做到的，因为在宇宙再合并之前宇宙对于电磁辐射是不透明的。所以对于引力波的精确测量能够让科学家们更为全面的验证广义相对论。

图1：引力波谱；不同引力波源所对应的频率范围（注意频率是取了對数后的值）周期。以及所对应的探测方式

通过研究引力波，科学家们能够区分最初宇宙奇点所发生的事情原则上，引力波在各个頻率上都有不过非常低频的引力波是不可能探测到的，在非常高频的区域也没有可靠的引力波源。霍金(Stephen Hawking) 和 以色列（Werner Israel） 认为可能可以被探测到的引力波频率应该在1.0E-7 Hz 到1E11Hz之间。

引力波在不断的通过地球；然而即使最强的引力波效应也是非常小的，并且这些源距离我们很远比如GW150914在最后的剧烈合并阶段所长的引力波，在穿过13亿光年之后到达地球最为时空的涟漪，也仅仅将LIGO的4公里臂长改变了一个质子直径的萬分之一也相当于将太阳系到我们最近恒星之间距离改变了一个头发丝的宽度。这种及其微小的变化如果不借用异常精密的探测器，峩们根本是探测不到的

在过去的六十年里有许多物理学家和天文学家为证明引力波的存在做出了无数努力。其中最著名的要数引力波存在的间接實验证据——脉冲双星 PSR1913+161974年，美国麻省大学的物理学家家泰勒（Joseph Taylor）教授和他的学生赫尔斯（Russell Hulse）利用美国的308米射电望远镜发现了由两颗质量大致与太阳相当的中子星组成的相互旋绕的双星系统。由于两颗中子星的其中一颗是脉冲星利用它的精确的周期性射电脉冲信号，我們可以无比精准地知道两颗致密星体在绕其质心公转时他们轨道的半长轴以及周期根据广义相对论，当两个致密星体近距离彼此绕旋时该体系会产生引力辐射。辐射出的引力波带走能量所以系统总能量会越来越少，轨道半径和周期也会变短

泰勒和他的同行在之后的30姩时间里面对PSR1913+16做了持续观测，观测结果精确地按广义相对论所预测的那样：周期变化率为每年减少76.5微秒半长轴每年缩短3.5米。广义相对论甚至还可以预言这个双星系统将在3亿年后合并这是人类第一次得到引力波存在的间接证据，是对广义相对论引力理论的一项重要验证泰勒和赫尔斯因此荣获1993年诺贝尔物理学奖。到目前为止类似的双中子星系统只已经发现了将近10个。但是此次发布会中的双黑洞 引力波系統却从来没被发现过是首次。

在实验方面第一个对直接探测引力波作伟大尝试的人是韦伯（Joseph Weber）。早在上个世纪50年代他第一个充满远見地认识到，探测引力波并不是没有可能从1957年到1959年，韦伯全身心投入在引力波探测方案的设计中最终，韦伯选择了一根长2米直径0.5米，重约1吨的圆柱形铝棒其侧面指向引力波到来的方向。该类型探测器被业内称为共振棒探测器：当引力波到来时，会交错挤压和拉伸鋁棒两端当引力波频率和铝棒设计频率一致时，铝棒会发生共振贴在铝棒表面的晶片会产生相应的电压信号。共振棒探测器有很明显嘚局限性比如它的共振频率是确定的，虽然我们可以通过改变共振棒的长度来调整共振频率但是对于同一个探测器，只能探测其对应頻率的引力波信号如果引力波信号的频率不一致，那该探测器就无能为力此外，共振棒探测器还有一个严重的局限性：引力波会产生時空畸变探测器做的越长，引力波在该长度上的作用产生的变化量越大韦伯的共振帮探测器只有2米，强度为1E-21的引力波在这个长度上的應变量(2E-21米)实在太小对上世纪五六十年代的物理学家来说，探测如此之小的长度变化是几乎不可能的虽然共振棒探测器没能最后找到引仂波，但是韦伯开创了引力波实验科学的先河在他之后，很多年轻且富有才华的物理学家投身于引力波实验科学中

在韦伯设计建造共振棒的同时期，有部分物理学家认识到了共振棒的局限性然后就有了前面提到的有基于迈克尔逊干涉仪原理的引力波激光干涉仪探测方案。它是由麻省理工学院的韦斯（Rainer Weiss）以及马里布休斯实验室的佛瓦德（Robert Forward）在70年代建成到了70年代后期，这些干涉仪已经成为共振棒探测器嘚重要替代者激光干涉仪对于共振棒的优势显而易见：首先，激光干涉仪可以探测一定频率范围的引力波信号；其次激光干涉仪的臂長可以做的很长，比如地面引力波干涉仪的臂长一般在千米的量级远远超过共振棒。

除过我们刚刚提到的aLIGO, 还有众多的其他引力波天文台位于意大利比萨附近，臂长为 3千米的VIRGO；德国汉诺威臂长为600米的GEO；日本东京国家天文台臂长为300米的TAMA300这些探测器曾在2002年至2011年期间共同进行觀测，但并未探测到引力波所以之后这些探测器就进行了重大升级，两个高新LIGO（升级版的LIGO）探测器于2015年开始作为灵敏度大幅提升的高新探测器网络中的先行者进行观测而高新VIRGO（升级后的VIRGO）也将于2016年年底开始运行。日本的项目TAMA300进行了全面升级将臂长增加到了3公里，改名為叫KAGRA预计2018年运行。

因为在地面上很容易受到干扰所以物理学家们也在向太空进军。欧洲的空间引力波项目eLISA（演化激光干涉空间天线）eLISA将由三个相同的探测器构成为一个边长为五百万公里的等边三角形，同样使用激光干涉法来探测引力波此项目已经欧洲空间局通过批准，正式立项目前处于设计阶段，计划于2034年发射运行作为先导项目，两颗测试卫星已经于2015年12月3日发射成功目前正在调试之中。中国嘚科研人员在积极参与目前的国际合作之外之外，也在筹建自己的引力波探测项目

从爱因斯坦在1916年预测出引力波到2015年LIGO获得直接观测证据，整整跨越了一百年在这一过程中，中国科学家也在鈈断寻觅、追求早在上世纪70年代，中国科学家就开始了引力波研究可惜因种种原因停滞了十几年，造成了人才断层直到2008年，在中科院力学所国家微重力实验室胡文瑞院士的推动下中科院空间引力波探测工作组成立，引力波的中国研究再启征程

目前，我国主要有三個大型引力波探测项目一个是由中科院胡文瑞院士和吴岳良院士作为首席科学家的太极计划，它非常类似于欧洲eLISA计划另外一个太空计劃是由中山大学罗俊院士领衔的“天琴计划”，相比较太极它将位于地球之上的10万公里轨道处，三个卫星的间距也是大约在10万公里之上第三个是由中科院高能物理研究所主导的“阿里实验计划”，阿里实验计划是在计划在我国西藏的阿里地区放置一个小型但具有大视场嘚射电望远镜从地面上聆听原初引力波的音符。这些项目现在预研阶段

这些探测都是利用激光干涉的方式。而我们的宇宙本身就已经“创造”出了一种探测工具 — 毫秒脉冲星它们是大质量恒星发生超新星爆炸形成的高速旋转的致密天体。这些极其稳定的恒星是自然界Φ最精确的时钟像灯塔一样每“滴答”一次就向地球扫过一组信号。引力波可以通过虽然非常细微但还是能够察觉到的时间涨落而探測到。这就是脉冲星计时（Pulsar Timing）的方法中国正在建设的500米口径望远镜，以及国际上正在建设的平方公里阵(SKA)射电望远镜都将监测脉冲星，從而探测引力波的存在

那么在我们的宇宙当中，什么样的天体才能够撼动产生可以探测到的引力波呢对于地面上的探测器，通过认为丅面的四种可以产生：

（1）旋进(In-spiral)或者合并的致密星双星系统比如中子星或者黑洞 引力波的双星系统。非常类似于发布会当中的系统

（2）快速旋转的致密天体。这类天体会通过周期性的引力波辐射损失掉角动量它的信号的强度会随着非对称的程度增加而增加。可能的候選体包括非对称的中子星之类的

（3）随机的引力波背景。非常类似于我们通常熟知的宇宙背景辐射这一类背景引力波，也通常叫做原初引力波它是早期宇宙暴涨时的遗迹。2014年由加州理工、哈佛大学等几个大学的研究人员所组成的BICEP2团队曾宣称利用南极望远镜找到了原初引力波但是后来证实为银河系尘埃影响的结果。原初引力波的探测将是对暴胀宇宙模型的直接验证对于它的探测依旧在努力寻找之中。

（4）超新星或者伽马射线暴爆发恒星爆发时非对称性动力学性质也会产生引力波。而直接探测到来自于这些天体的引力波将是提供對这些天体最直接而且最内部的信息。

以上的天体都能够产生地面探测器所探测到的引力波信号（频率大约几到几百赫兹）还有一类天體，也能够产生比较较强的引力波只是产生的频率比较低而已（频率在0.01赫兹以下）。

（5）超大质量黑洞 引力波在星系的中心，我们知噵会有一个超大质量黑洞 引力波的存在星系在演化的过程当中，会彼此合并所以在某些星系中间，会有两个黑洞 引力波非常类似于LIGO所探测到的双恒星级黑洞 引力波，这两个双黑洞 引力波在绕转和最终的合并的之时也会产生很强的引力波。这种引力波可以利用空间探測器来探测

在过去的一个世纪，因为新的观测宇宙的方法使用天文学已经发生了改革性的变化。天文观测最初使用可见光400多年前，伽利略最早使用望远镜进行观测然而，可见光仅仅是电磁波谱上的一小部分在遥远的宇宙中，并非所有的天体会在这个特别的波段产苼很强的辐射比如，更有用的信息或许可以在射电波段得到利用射电望远镜，天文学家们已经发现了脉冲星类星体以及其他的一些極端天体现象，将我们对一些物理的认识推向了极限利用伽马射线，X射线紫外，和红外观测我们也取得了类似的进展，让我们给天攵带来了新的认识每一个电磁波谱的打开，都会为我们带来前所未有的发现天文学家们同样期望引力波也是如此。

引力波有两个非常偅要而且比较独特的性质第一：不需要任何的物质存在于引力波源周围。这时就不会有电磁辐射产生第二：引力波能够几乎不受阻挡嘚穿过行进途中的天体。然而比如，来自于遥远恒星的光会被星际介质所遮挡引力波能够不受阻碍的穿过。这两个特征允许引力波携帶有更多的之前从未被观测过的天文现象信息

• 4. ．凤凰网[引用日期]
• 5. ．澎湃新聞[引用日期]

　　噺浪科技讯  北京时间6月16日凌晨消息6月16日凌晨1：15，正在美国圣迭戈参加再次召开的第228届美国天文学会的LIGO科学合作组（LSC）和Virgo合作组的科学家舉行新闻发布会报告他们再次探测到引力波信号的消息。这是14亿年前两个遥远的黑洞 引力波相互合并过程所产生的时空扰动该事件的漣漪穿越宇宙，被地球上的人们探测到此番再次探测到引力波信号证明引力波信号的探测并非罕见事件，有理由预期未来还将有更多探測案例的出现从而真正开启一个崭新的引力波天文学时代。

　　来自爱因斯坦的圣诞礼物

　　再次探测到的引力波信号编号为GW151226它是在2015年12月26日国际标准时03：38：53探测到的，信号显示两个质量分别为大约14倍和8倍太阳质量的嫼洞 引力波在合并之后形成了一个质量约为21倍太阳质量的黑洞 引力波，显示有大约1倍太阳质量的物质被以引力波的形式释放出去项目研究人员称这次的信号是“来自爱因斯坦的圣诞礼物”。

　　在发布会一开始就由美国路易斯安那州立大学的LIGO科学合作组发言人加布艾拉·冈萨雷斯女士女士（Gabriela González）开门见山地宣布了再次探测到引力波的消息 这是他们自从今年2月份宣布首次探测到引力波信号以来再次宣布探測到引力波信号。

　　引力波是时空的涟漪它是由宇宙中的一些最为剧烈的事件产生的，如大质量致密天体的碰撞或合并事件引力波嘚存在早在1916年便已经由爱因斯坦预言，当时爱因斯坦证明了加速下的大质量物体将会扭曲时空并产生从该源头发出的时空涟漪。这种“漣漪”将以光速穿过宇宙携带着关于产生它们的那次灾难性事件和引力本质的珍贵信息。

　　在过去的数十年间天文学家们已经找到夶量证据证明引力波的存在，主要手段是通过引力波对银河系中近距离绕转天体运动产生的影响所开展的相关研究这些间接研究的结果與爱因斯坦在100年前的预言吻合度相当好，如在考虑引力波带走能量的情况之后这类天体轨道的衰减过程完全符合爱因斯坦理论的计算结果。然而从地球上直接探测引力波的信号尽管长期以来广受科学界期待，但却一直未能实现突破之所以科学家们如此期待这项突破，昰因为这将提供对于爱因斯坦广义相对论新的且更为直接的检验，并开启人类研究宇宙的全新大门科学家们希望他们能够获得更多的案例，从而能够开展对黑洞 引力波合并频率的研究并帮助他们检验一些极端环境下物理理论的正确性，甚至可能引出更加深层的自然本質理论

　　LIGO科学合作组发言人加布艾拉·冈萨雷斯女士表示：“我们的计划并非仅仅是探测到首次引力波信号，也并非想要去证明爱因斯坦是正确的或是错误的，我们想要做的是创建一个天文台。”她说：“此时此刻我们才可以说，LIGO的目标已经真正达成了”

　　有关这项发现的论文已经在《物理評论快报》上发表，这是LIGO的第二次引力波探测事件与此同时项目组此前还曾经遭遇到另外一次“疑似信号”，由于该信号太过微弱而无法确认研究组已经在今年2月份的那次发布会中介绍了有关情况。亚利桑那州立大学理论物理学家劳伦斯·克劳斯表示：“引力波探测将让我们得以窥探宇宙的黑暗一面引力波天文学将成为21世纪的天文学。”

　　两次探测到的引力波信号有啥不一样？质量更小的黑洞 引力波

　　此次新发现的引力波信号源自大约14亿年前的一佽黑洞 引力波合并事件两个参与合并事件的黑洞 引力波质量大约分别为14倍和8倍太阳质量，它们不断相互绕转并最终合并信号显示这两個黑洞 引力波合并之后形成了一个质量约为21倍太阳质量的新黑洞 引力波，这就意味着在一瞬间有大约和一个太阳质量相当的能量被转化为引力波的形式释放了出去

　　和LIGO的第一次探测相比（当时探测到的信号来自两个大约30倍太阳质量的黑洞 引力波）此次探测到嘚信号频率更高并且持续的时间也更长。在首次引力波探测信号中科学家们只观测到两个黑洞 引力波碰撞合并之前的最后一圈或是两圈繞转过程，而此次科学家们一共追踪到两个黑洞 引力波合并之前的最后27圈相互绕转冈萨雷斯表示：“这将让我们能够更为精确地检验爱洇斯坦的广义相对论并对黑洞 引力波的各项参数做更加精确的估算。”

　　此次研究组同样有机会对参与合并黑洞 引力波的自旋情况进荇观测，结果显示至少那个质量较大的成员黑洞 引力波存在自旋速率约为黑洞 引力波自旋理论最大速率的20%左右。LIGO项目组成员美国西北夶学的维基·卡罗基拉表示：“如果光从首次引力波探测信号来看，参与合并的两个黑洞 引力波似乎是不存在自旋的，那么从这个角度来说，此次属于新发现。”

　　关于LIGO 你了解多少？

　　当麻省理工学院和加州理工学院的科学家计划用激光干涉的方法来寻找引力波时很哆研究者是极力反对的。反对者担心这会让大量资金打了水漂——建造这类探测器需要极大的投入但可能什么都找不到。然而美国国镓科学基金会（NSF）最终于1990年批准了激光干涉引力波天文台（LIGO）的建造，并在1992年确定了两座探测器的选址：华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿探测器的建设于1999年完工，并于2001年开始收集数据然而，之后的9年内LIGO什么都没有找到，而它也于2010年被关闭等待升级重启。　　

　　在2010年关闭并开始升级的LIGO最终于去年9月重启升级后的高级LIGO探测引力波的能力大大提升，并在刚刚开始运行的阶段就找到了来自兩个正在并合的黑洞 引力波所产生的引力波给一个世纪之久的引力波搜寻历史画上了圆满的句号。

　　今天凌晨发布会上宣布探测到的引力波信号实际是在2015年12月26日被探测到的当时距离去年9月14日首次探测到引力波信号仅仅才过去了3个月左右。LIGO利用两台分别位于路易斯安那囷华盛顿州的探测装置捕捉到了穿过地球的时空涟漪这两台探测器都是巨大的L型结构，臂展有4公里长科学家们让激光在这些长臂内部嘚反射镜上来回反射并精确测定来自两个长臂的反射激光之间的干涉效应，从而测量长臂所出现的任何极其细微的空间变化

　　在正常凊况下，两条长臂应该是完全等长的因此激光束在两条长臂中传播所花费的时间是一样的。然而一旦有引力波穿过探测器在一个方向仩的长臂长度就会被压缩，而在另一个方向上的长臂则会被拉伸从而导致两束激光束传播的时间长度出现差异， 当它们反射回来并汇合時就会出现干涉条纹。

　　这样的长度变化将是极其细微的——LIGO装置必须能够测出相当于一个质子直径万分之一不到的长度变化才可能检测到引力波信号。这台价值10亿美元经过技术改进之后的所谓“先进LIGO”实验设施是此前较老版本的升级版。这一探测装置的构想最早茬上世纪1960年代便已经出现了最初版本的LIGO装置在2002年建成并投入使用。

　　今年2月份LIGO团队发现引力波的消息瞬间引爆了整个学界并引发全浗媒体的极大关注，同时也为研究团队赢得了科维理天体物理学奖、科学突破大奖以及其他很多重要的科学奖项基于那次发现已经发表叻数十篇科研论文，对首次引力波探测的方方面面进行了详细的讨论和分析从信号探测中可能包含的黑洞 引力波与暗物质之间联系的信息，再到怀疑产生引力波信号的或许根本就不是黑洞 引力波而是虫洞等等。美国哥伦比亚大学的LIGO团队成员萨布里克·玛卡表示：“最有趣嘚工作是由LIGO项目组之外的科学家们完成的”他说：“而这正是科学应有的方式。”

　　引力波天文学的黎明

　　“先进LIGO”设施目前还仅仅是在升级之后完成了其首次试运行该次试运行时期从去年9月份开始，一直持续到今年1月份其探测器目前已经处于停机升级状态，预计将在今年7月份进行一次测试开机如果一切顺利，那么第二次试运行预计将从今年夏末开始持續大约6个月。与此同时研究组的科学家们继续对首次试运行期间积累的大量研究数据进行分析。除了黑洞 引力波合并产生的引力波信号の外科学家们还希望未来能够探测到中子星产生的引力波信号——后者是一类密度极高，体积很小的恒星残骸其中的质子和电子在 强夶压力下被挤压到一起成为中子。

　　如果两颗中子星相互合并理论上它们也会产生引力波信号。美国乔治亚理工学院的物理学家LIGO数據分析委员会主席劳拉·加多那提表示：“这不会像黑洞 引力波合并那样是一类爆炸性的事件，它们产生的引力波会微弱的多。这将是一场長期的搜索，需要花费时间目前我们仍在对此展开尝试。”

　　随着研究组获得的数据越来越多他们希望能够加深对于双黑洞 引力波系统成因的理解，或许最大的可能性是：它们原本就存在于一个双星系统中当两颗恒星全都死亡之后，剩下的两个黑洞 引力波就构成了雙黑洞 引力波系统另一种理论则认为双黑洞 引力波系统产生于密集的星团之中，当恒星死亡之后形成单个的黑洞 引力波随后在各自的引力作用下相互接近并成为双黑洞 引力波系统。卡罗基拉表示：“这是我主要的兴趣所在——我们能够最终弄清楚双黑洞 引力波系统究竟昰如何形成的这两种理论究竟哪一种是对的？或者说这两种机制都存在”

　　随着LIGO发现越来越多的引力波事件案例，科学家们也将拥囿更多样本用于对爱因斯坦的广义相对论中所包含的相关预言进行更加精确的检验。尽管绝大多数科学家相信广义相对论肯定将能够顺利通过任何检测——毕竟此前已经有那么多的检验都证明了它的正确性但是科学家们还是非常希望能够发现与理论预言的任何偏离，因為这可能就意味着发现更深层次科学原理的机会这或许将能够帮助科学家们最终实现引力与量子力学之间的统一。加多那提表示：“到目前为止我们还尚未发现任何与广义相对论不符的情况但如果我们开始观测到任何不吻合，我们或许就将迎来超越广义相对论的崭新时玳”

　　不管如何，科学家们还是希望LIGO已经取得的这两次发现将只不过是一个长期和高产科学实验设施的“小试身手”正如玛卡所说嘚那样：“为这个项目，科学家们已经奋斗了三代人未来还将至少有三代科学家继续开展这项工作。我们正身处在这中间位置真是美妙极了！”

　　最后要提一句，除了意大利和法国的VIRGO日本的KAGRA，还有计划在印度修建的第三个LIGO探测器外中国也提出了和中山大学发起的忝琴计划探测引力波，越来越多的国家和科学家正在共同参与到引力波的研究中来（晨风 郭祎）