引力波原理简单讲解（引力波悄无声息）

通过对黑洞环绕物质发出射线以及旋进、合并和铃宕过程中产生的引力波的观测，我们能够察觉到宇宙中黑洞的存在或诞生。但是到目前为止，我们还没有在银河系内探测到黑洞的合并。

科学界有个非常了不起的进步，即我们已有能力探测引力波。LIGO和Virgo在引力波的观测方面有着前所未有的能力和灵敏度，那些时空结构中汹涌的波动将不会在悄无声息地从我们身边溜走。

同时，我们可以观测到它们的同时定位到产生它们的源头并研究它们的属性，到目前为止，我们已经探测到十一个不同的源头。

但是依然有一个问题，这些源头都离我们很远.

为什么会这样？这同时也困扰着Amitava Datta(雅米他法 达塔）和Chavan Chatterjee(卡文 查特基)。他们发出了这样的疑问：为什么所有已知的引力波源头（双星合并）都来自遥远的星系？为什么我们没能在比邻星系探测到？我猜（当然，十有八九都是错的）我们应该把探测器精准地朝向任何方向，也就是说，我们现在的发现都是偶然得来的。

我们来找找答案吧。

从空中俯瞰Virgo引力波探测器，这是一座建立在靠近意大利比萨城卡希纳的有三千米长臂的巨型迈克尔逊激光干涉器，和有四千米长臂的LIGO探测器的功能互补。这些探测器对于遥远处引力波振幅的微小变化非常敏感，但能量的变化不是特别敏感。

像LIGO和Virgo这样的观测站的工作方式都是靠它们的两根很长的相互垂直的臂，这些臂中有很好的真空环境。固定频率的激光束分别沿着两条独立的臂分别传播，反复反射很多次，最后重新合并在一起。

光是一种电磁波，把多重的波合并在一起的时候，它们会产生干涉图案。当这种干涉是相长干涉的时候，可以看到一种形式的图案，如果是相消干涉，看到的是不同形式的图案。当LIGO和Virgo空闲的时候，一般来讲，没有引力波穿过它们，你看到的会是相对稳定的图案，只有仪器的随机噪音（大多数是地球自己产生的）的干扰。

当两条臂是一样长而且也没有引力波通过的时候，信号是正常的，干涉图像也是稳定的。当臂的长度改变了，信号会发生真实的震荡，干涉图像也会随时以可预测的方式变化。

如果你准备改变一支臂相对于另一支臂的长度，那么光经过这支臂的时间也会改变，而因为光是一种波，光传播时间的一点微小的改变都意味着你接收到的光的波动图案会是不同的，因此，和另一束激光共同构成的干涉图像也会改变。

有很多原因会造成一条单臂的改变：地震噪音，街对面的一把手提钻，甚至是几英里外经过的一辆卡车。但是天体物理源也会造成这样的改变：一个正在经过的引力波动。

当引力波经过空间中的某处时，它会引起交替方向和时间的膨胀与压缩，引起激光臂长度在互相垂直的方向上发生改变。我们就是利用这种物理上的变化而成功的制造出像LIGO 和Virgo这样的引力波探测器的。

目前有两种方式来帮助我们区分哪些是引力波，哪些仅仅是地球上的噪音。

1，引力波，经过探测器的时候会以一种特别的同相量引起两条激光臂的距离按相反的方向改变。当你看到一个由臂的长度伸缩而引起的周期性图像的时候，就可以以一个相当简单的限制条件来确定你看到可能是引力波还是仅仅是地缘噪声。

2，我们在地球上的不同地方建立了组合式探测器，每一个探测器都会受当地环境的噪声影响，但是当有引力波经过的时候，我们会在两个探测器上收到非常相像的结果，这些结果最多只有几毫秒的时间差。

正如你看到的对于这些波的第一次稳定性测试，回看2015年九月14号的那些观测，两种影响都是存在的。

在过去第一次直接观测到那对黑洞的旋进与合并过程的时候。夹杂着噪声（上部分）的总信号明显符合特定质量（中等）黑洞的旋进和合并过程所产生的引力波的模版。记录下了在合并过程的最后阶段时的引力波频率和振幅的改变。

回到现在来看，我们确切探测到的合并事件已经有很多了：迄今11次独立不同的合并事件。旋进和合并过程的最后阶段——两个黑洞合并又或者是中子星碰撞的最后几秒甚至是最后几毫秒，所产生的引力波才足够的强，我们的探测器，甚至是最灵敏的探测器才能接受到确切的内容,这种合并的过程似乎是随机到来的。

诡异的是,仔细看这些天体和我们的距离，不难发现,虽然我们的引力波探测器对于一些离我们近一些的天体更敏感，但我们找到的目标更多是来自和我们相隔好几亿甚至上十亿光年远深空。

LIGO和Virgo所观测到的11次引力波事件的名字，质量参数以及其他的一些基本信息都被编码记录了下来。记录着第二轮运行的最后一个月所接受到的信息：当时LIGO 和Virgo 同时开机。dl参数表示的是光度距离；2017年发生的中子星合并事件是距离我们最近的事件，和我们相距差不多一亿三千万万光年。

为什么会这样呢？如果引力波探测器对于附近的目标更敏感，我们不该更多的探测到它们么？但实际观测到的却不是这样。

有很多原因可以解释为什么我们会事与愿违,就像质疑者所说的那样，也许是因为方向问题造成的。毕竟，宇宙中有很多现象，比如脉冲星和耀变体，就只有在电磁信号直射进我们的视线的时候才能看见。

活跃的星系核心给人一种艺术家的印象。位于吸积盘中央的超大质量黑洞向空间中喷射着垂直于吸积盘的高能物质。四百万光年之外的一个耀变体向外喷射着许多高能宇宙射线和中微子。而只有从黑洞视界外才能离开黑洞，在视界以里就永远逃不掉。

这是一个睿智的观点，但是它忽略了引力和电磁力的基本区别。在电磁中，电磁辐射是由带电粒子的加速所产生的；广义相对论中，引力辐射（或者是引力波）是由大质量粒子的加速所产生的。这到目前为止还是处于无可辩驳的地位。

但是磁力场和电力场在电磁场中同时存在，带电粒子在运动中产生磁场。这样的话你就可以以平行的方式创造和加速粒子和辐射；就不需要以球形模式向外扩散了。然而在引力中，只有引力源（质量和能量量子）和空间的曲率能得到这一结果。

当你发现两个引力源（质量）相互旋进并最终合并，这一动作就会产生引力波。尽管这一过程可能不是直观的，但是引力波探测器还是能灵敏的把这些波作为I/r的函数形式表现出来，不是I/r^2，而且对所有方向上的波都是能够探测到的，不论它们是正向的还是侧向的或者是其他介于这两种方式的。

正如研究所证明的那样，引力波源不管是正向还是侧向或者是以某种角度对着我们的探测器对于是否能接受到引力波都是没有任何影响的；它们始终都辐射着可以被测量和观测到的带有振幅和频率信息的引力波。以我们的肉眼来看不同方向来的引力波或许在强度或者其他属性上有着那么一点细微的区别，但是引力波从那个产生它们的源头以球状发散地向外传播，只要你的探测器足够灵敏，你就可以在宇宙的任何地方大量地观测到它们。

所以，那么为什么我们没能在我们自己的星系探测到来自双星源的引力波呢？

双质量源这个说法可能让你震惊，举个例子，就像是黑洞们和中子星们现在这样，相互环绕着旋进者。

（图中文字：宇宙中的双人芭蕾舞，当两颗中子星围绕着共同的引力中心起舞的时候，它们释放着如右图这样的引力波，因为两个天体都在一点点地损失着它们的环绕能量，所以它们就以一个螺旋形的轨道慢慢地接近彼此，并且轨道周期也会相应的缩短。右边的图标显示着双脉冲星星系统PSRJ0737-3039的这种进程。）

从发现第一个双中子星系统开始，就已经知道了引力辐射是带着能量损失的。现在，我们要找到一个位于最后阶段的旋进合并系统就只是时间问题了。

在观测到引力波之前发现了一个看来极其罕见的结构：两颗脉冲星环绕着另一颗。我们可以观测到它的脉冲时间因引力辐射造成的轨道衰减而在某总程度上有些不同。很多脉冲星，包括多个脉冲星双星系统，都因此而被发现。每一个样本我们都能够精确的测量它们，我们的确看到了轨道衰减，它们也的确正在释放着引力波。

同样地，如果我们观测到X光的话就表明在这个系统的中心一定存在一个黑洞。然而目前只通过电磁观测发现过两例双黑洞系统，从观测结果中我们了解到大质量的黑洞会从伴星那里吸积质量，从而会产生这种X射线双星的现象。

LIGO和Virgo找到了一大批新的质量比从前X光研究单独发现的更大的黑洞。这张图显示的是LIGO和Virgo所探测到的全部十个可信的双黑洞系统的质量（蓝色部分），其中还有一个双中子星系统（橙色部分）。LIGO/Virgo经过灵敏性上的升级，从这个四月开始应该就可以每周都搜寻双星合并的事件了。

这类系统有这些特点：

1在银河系中含量丰富。

2旋进并辐射出引力波来保存能量。

3这意味着会有特定频率和振幅的引力波经过我们的探测器。

4一旦一个天体开始释放引力波，那么这就意味着终有一天它们会合并在一起。

但是，我们依然没有通过地基探测器观测到它们。对这种情况有一个简单直接的解释：我们的探测器的接受频率范围不对！

上图是各种引力波探测器的灵敏范围，有标记的，特别是橙色的高新激光干涉仪（advanced LIGO），暗蓝色的LISA，淡蓝的BBO。LIGO只能探测到小质量和短期的事件；

对于更大质量的并且处在合并过程早期的黑洞或者系统我们就需要使用更长基线更低噪声的设备来观测了。

只有处在双星合并过程的最后几秒钟所产生的引力波才能被LIGO/Virgon探测到。几百万甚至是几十亿年来，中子星们或者是黑洞们相互围绕着旋转并且经受着轨道的衰减，它们在径向分离较大的时候是这样，也就是说它们的旋转周期更长，释放的引力波的频率更低。

我们没能在我们的星系发现双星环绕系统的原因就是LIGO和Virgon的激光臂太短了！如果它们不是三四千米长而是几百公里长还带有更多的反射镜的话，或许我们早就在我们的星系看见它们了。就目前的情况来看，这是LISA的一个显著的进步：它能告诉我们有哪些双星系统在未来肯定会合并在一起，甚至能让我们可以预测在哪里？什么时候发生！

三个LISA太空船将会在 偏转角20度的轨道呈三角形排开，它们的臂长将达到。5百万千米，这个数字不是按规定比例的。LISA在低频率目标的探测方面将会比LIGO更为灵敏，这些目标将包括将来某一天LIGO能够看见的未来的合并过程。

事实上：在LIGO和Virgon运作的这段时间，我们没能在我们自己的星系观测到任何黑洞合并或者中子星碰撞。这并不令人意外；从我们的引力波观测结果上来看，每一年，宇宙中会发生800000次左右的双黑洞合并事件，但是宇宙中有两万亿个星系，也就是说为了观测到一次合并事件，我们需要观测数以百万计的星系！

这就是为什么我们的引力波观测设备需要灵敏到能够在所有方向上观测到那些来自数十亿光年之外的引力波；否则的话我们就不能够得到足够量的统计数据。

上图是高新激光干涉仪（advanced LIGO）有能力探测到的黑洞合并的范围。值得注意的是即使引力波的振幅会随着I/r而降低，而星系的数量将会随着r^3增长。

在我们的宇宙中有很多的中子星和黑洞在围绕着另一个旋转，包括我们在内的星系里也是这样。 当我们想要搜寻这些双星系统的时候，通过无线电脉冲或者是X光，能找到相当多数量的这类系统,甚至能找到他们释放引力波的证据，虽然我们不是直接看到的。

如果我们有更灵敏，能探测到更低频率引力波的探测器，那我们就有可能直接探测到我们星系里的引力波源。如果我们想要找到一个真正的合并事件，那是很难得的。合并或许需要经过亿万年的酝酿，但是真正的合并事件却只发生几分之一秒。我们只有通过大范围的观测才能找到他们，幸运的是，我们早就拥有能够支持这项事业的技术了。

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