1、引力波的介紹

　　在物理學中，引力波是指時空彎曲中的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。在1916年 ，愛因斯坦基于廣義相對論預言了引力波的存在。引力波的存在是廣義相對論洛倫茲不變性的結果，因為它引入了相互作用的傳播速度有限的概念。相比之下，引力波不能夠存在于牛頓的經(jīng)典引力理論當中，因為牛頓的經(jīng)典理論假設物質的相互作用傳播是速度無限的。

　　各種各樣的引力波探測器正在建造或者運行當中，比如 advanced LIGO（aLIGO）從2015年9月份開始運行觀測。

　　可能的引力波探測源包括致密雙星系統(tǒng)（白矮星，中子星和黑洞）。在2016年2月11日，LIGO科學合作組織和Virgo合作團隊宣布他們已經(jīng)利用高級LIGO探測器，已經(jīng)首次探測到了來自于雙黑洞合并的引力波信號。

　　2016年6月16日凌晨，LIGO合作組宣布：2015年12月26日03:38:53 （UTC），位于美國漢福德區(qū)和路易斯安那州的利文斯頓的兩臺引力波探測器同時探測到了一個引力波信號；這是繼 LIGO 2015年9月14日探測到首個引力波信號之后，人類探測到的第二個引力波信號 。

　　2017年10月16日，全球多國科學家同步舉行新聞發(fā)布會，宣布人類第一次直接探測到來自雙中子星合并的引力波，并同時“看到”這一壯觀宇宙事件發(fā)出的電磁信號。

　　在愛因斯坦的廣義相對論中，引力被認為是時空彎曲的一種效應。這種彎曲是因為質量的存在而導致。通常而言，在一個給定的體積內，包含的質量越大，那么在這個體積邊界處所導致的時空曲率越大。當一個有質量的物體在時空當中運動的時候，曲率變化反應了這些物體的位置變化。在某些特定環(huán)境之下，加速物體能夠對這個曲率產(chǎn)生變化，并且能夠以波的形式向外以光速傳播。這種傳播現(xiàn)象被稱之為引力波。

　　當一個引力波通過一個觀測者的時候，因為應變（strain）效應，觀測者就會發(fā)現(xiàn)時候時空被扭曲。當引力波通過的時候，物體之間的距離就會發(fā)生有節(jié)奏的增加和減少，這個頻率對于這了引力波的頻率。這種效應的強度與產(chǎn)生引力波源之間距離成反比。繞轉的雙中子星系統(tǒng)被預測，在當它們合并的時候，是一個非常強的引力波源，由于它們彼此靠近繞轉時所產(chǎn)生的巨大加速度。由于通常距離這些源非常遠，所以在地球上觀測時的效應非常小，形變效應小于1.0E-21。科學家們已經(jīng)利用更為靈敏的探測器證實了引力波的存在。目前最為靈敏的探測是aLIGO，它的探測精度可以達到1.0E-22。更多的空間天文臺（歐洲航天局的eLISA計劃，中國的中國科學院太極計劃，和中山大學的天琴計劃）目前正在籌劃當中。

　　引力波應該能夠穿透那些電磁波不能穿透的地方。所以猜測引力波能夠提供給地球上的觀測者有關遙遠宇宙中有關黑洞和其它奇異天體的信息。而這些天體不能夠為傳統(tǒng)的方式，比如光學望遠鏡和射電望遠鏡，所觀測到，所以引力波天文學將給我們有關宇宙運轉的新認識。尤其，引力波更為有趣的是，它能夠提供一種觀測極早期宇宙的方式，而這在傳統(tǒng)的天文學中是不可能做到的，因為在宇宙再合并之前，宇宙對于電磁輻射是不透明的。所以，對于引力波的精確測量能夠讓科學家們更為全面的驗證廣義相對論。

　　圖 ?引力波譜

　　不同引力波源所對應的頻率范圍（注意頻率是取了對數(shù)后的值），周期。以及所對應的探測方式。

　　通過研究引力波，科學家們能夠區(qū)分最初宇宙奇點所發(fā)生的事情。原則上，引力波在各個頻率上都有。不過非常低頻的引力波是不可能探測到的，在非常高頻的區(qū)域，也沒有可靠的引力波源。霍金（Stephen Hawking） 和 以色列（Werner Israel） 認為可能可以被探測到的引力波頻率，應該在1.0E-7 Hz 到1E11Hz之間。

　　引力波在不斷的通過地球；然而，即使最強的引力波效應也是非常小的，并且這些源距離我們很遠。比如GW150914在最后的劇烈合并階段所長的引力波，在穿過13億光年之后到達地球，最為時空的漣漪，也僅僅將LIGO的4公里臂長改變了一個質子直徑的萬分之一，也相當于將太陽系到我們最近恒星之間距離改變了一個頭發(fā)絲的寬度。這種及其微小的變化，如果不借用異常精密的探測器，我們根本是探測不到的。

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　　圖 ? LIGO的兩個觀測站探測到了同一個引力波事件。

　　上面為觀測得到的曲線，下面是和理論相比較之后的擬合結果。

　　2、發(fā)現(xiàn)引力波意味著什么？

　　引力波的發(fā)現(xiàn)意義重大，從科學意義上看，引力波可以直接與宇宙大爆炸連接。廣義相對論中預言的引力波也可以產(chǎn)生于宇宙大爆炸中，這就是說大爆炸之初的引力波在137億年后的今天仍然可以探測到。一旦我們發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸時期的引力波，就可以揭開宇宙的各種謎團，甚至了解宇宙的開端和運行機制。因此也有這樣的說法，如果引力波的發(fā)現(xiàn)被確定，那么幾乎可以肯定會入選諾貝爾獎。1993年的諾貝爾獎就是授予了間接發(fā)現(xiàn)引力波存在的科學家，當時兩位科學家泰勒和赫爾斯對脈沖星雙星系統(tǒng)PSR1913+16進行研究，發(fā)現(xiàn)其系統(tǒng)內有兩顆中子星，它們快速圍繞對方公轉，最終發(fā)現(xiàn)了引力波間接證據(jù)。

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　　一旦我們發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸時期的引力波，就可以揭開宇宙的各種謎團，甚至了解宇宙的開端和運行機制

　　2014年3月，BICEP2望遠鏡科學家稱發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸時期產(chǎn)生的原初引力波，這個發(fā)現(xiàn)瞬間轟動了世界，科學家在宇宙微波背景輻射中探測到B模偏振，認為這是原初引力波的證據(jù)。這個發(fā)現(xiàn)不僅意味著我們探測到引力波，而且還發(fā)現(xiàn)大爆炸時期的引力波，更令人驚訝的是根據(jù)這個理論我們甚至可以推出平行宇宙的存在。不過，很快BICEP2望遠鏡的發(fā)現(xiàn)成果被否定，科學家驗證后發(fā)現(xiàn)是銀河系的塵埃對觀測形成干擾，這個發(fā)現(xiàn)是錯誤。

　　由此也可以看出，引力波對于現(xiàn)代天文學而言是多么重要，一旦發(fā)現(xiàn)引力波直接證據(jù)，我們就能夠通過這個途徑觀測并研究它，進而揭開宇宙深層奧秘。