引力波——觀測宇宙的新窗口
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人類迄今對宇宙觀測主要通過四種方式：電磁輻射、宇宙射線、中微子和引力波。2015年9月 advanced LIGO 激光干涉儀實現了引力波的首次直接探測，開啓了引力波觀測宇宙的新窗口 [1]。5年前的8月17日，首例雙中子星併合的引力波信號——GW170817被成功捕獲，標誌着多信使天文學進入新階段。
01
先行者的探索
在1916年，愛因斯坦在完成廣義相對論引力場方程之後，隨即預言了引力波。但是同時也認爲引力波的強度如此之小，或許人類永遠無法探測到。值得一提的是在愛因斯坦之前，奧利弗·黑維賽 (Oliver Heaviside) 和亨利·龐加萊 (Henri Poincaré) 都有討論過引力波的存在的可能性 [2]。
儘管愛因斯坦在20世紀初就預言了引力波，但是直到1957年在美國北卡羅來納州的Chapel Hill會議上，科學家對於引力波的物理屬性認識才逐漸清晰。對於引力波研究，這是一個具有里程碑意義的會議，彙集了惠勒(Wheeler)、費曼(Feynman)、施溫格(Schwinger)等著名物理學家，爲期六天的會議深入探討了引力物理的諸多問題，其中一個重要議題就是引力波是否具有實際物理效應，更爲具體的一點就是引力波是否攜帶能量？費曼提出了理想實驗“粘珠實驗 (Sticky bead argument)”[3]：
“假定兩個珠子能夠在一根棒上自由滑動，但具有輕微的摩擦，當引力波經過該實驗裝置時，棒的長度由於材質間的原子作用力保持固定，而珠子受到引力波的作用在棒上摩擦滑動，從而產生熱能”。
這個理想實驗解釋了引力波攜帶能量的屬性。(這次會議也被稱爲GR1會議，該系列會議每3年一次，2022年的GR23會議在中國舉辦)。
“粘珠實驗”示意圖 [4]
在會議之後，與會的約瑟夫·韋伯 (Joseph Weber) 開展了引力波探測器的的設計，他所設計的棒狀探測器後來被稱爲 Weber bars。他將兩個棒狀探測器分別佈置於馬里蘭大學(University of Maryland) 和芝加哥附近的阿爾貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)，兩個探測器相距約 950 km 用於排除局部環境噪聲對探測器的影響。
1969年，韋伯發表了一篇PRL文章宣佈探測到了引力波信號，並在隨後實驗中探測到了多個源自銀河系中心方向的引力波信號。之後有多個國際團組跟進同類實驗，然而並未探測到同類信號，同時，理論天體物理學家的計算也對Weber的探測率進行了否定。儘管此後學界已普遍不認爲韋伯探測到了引力波信號，但作爲探測引力波的先驅，讓學界重新審視引力波探測的方法。
Joseph Weber與其設計的棒狀引力波探測器丨圖源：Special Collections and University Archives, University of Maryland Libraries
02
引力波的間接觀測
1974年，天文學家 Russell A. Hulse 和 Joseph H. Taylor 發現了脈衝雙星系統 PSR B1913+16，並通過脈衝觀測發現了雙星相互繞轉過程中的軌道週期變化。根據廣義相對論，雙星繞轉將產生引力輻射，引力波帶走系統能量將導致其繞轉週期的縮短，連續觀測結果與廣義相對論的理論預言相互吻合。該觀測從側面證實了引力波的存在，也驗證了引力波攜帶能量。Hulse 和 Taylor 兩人因發現新類型的脈衝星系統、開闢了研究引力的新途徑而獲得1993年的諾貝爾物理學獎。
左：脈衝雙星系統示意圖(Credit: Michael Kramer)；右：PSR B1913+16雙星系統軌道週期變化與廣義相對論理論預測對比圖( Weisberg and Huang 2016)。
03
激光干涉引力波探測器
20世紀60年代到70年代，激光干涉儀作爲更具潛力的引力波探測裝置，美國、前蘇聯、德國、英國、法國和意大利紛紛對其相關技術展開了廣泛的研究，並形成了後來的多個激光干涉引力波探測器。
〇 LIGO 探測器：目前包含兩個臂長爲 4 km 的激光干涉儀，分別位於美國的華盛頓州 Hanford 和路易斯安那州的 Livingston (在建的第三個探測器位於印度)，兩個探測器相距 3000 km (光程 10 毫秒)。1990年獲得美國國家科學基金會(NSF)支持，initial LIGO 探測器到2002年完成建設、設備安裝和工程調試，隨後進行引力波信號搜尋工作，觀測持續到2010年，但並未探測到引力波信號。在2010-2014年 initial LIGO 被升級到 advanced LIGO，通過增加干涉儀光學鏡質量、改進隔震系統和懸掛系統等，在 2015 年升級完成並開始運行，在觀測初期實現引力波的首次直接探測 [5,6]。
〇 Virgo 探測器：其名字源自於探測室女座星系團範圍內的引力波事件，隨着靈敏度的提升該名字已失去最初的意義。Virgo 探測器最初由法國CNRS和意大利INFN聯合建立，兩個機構分別於1993年和1994年先後批覆了該項目，探測器臂長爲 3 km，位於意大利Pisa郊區的Cascina。initial Virgo的建成於2003年，之後持續觀測到2011年，之後對其進行advanced Virgo升級。但由於多種因素的影響，直到2017年，advanced Virgo才與兩個 advanced LIGO 探測器聯合觀測。儘管Virgo探測器錯過了首例雙黑洞併合的引力波信號，但沒有錯失首例雙中子星併合的引力波信號 [7]。
〇 GEO600 探測器：是由德國和英國聯合建立的引力波探測器，探測器最初的設計目標是在德國北部的Harz山建立臂長爲 3 km 的地下激光干涉儀，然而在1989年，項目申請並未獲得資金支持。1994年，探測器方案變爲在德國漢諾威(Hannover)郊區建立一個臂長爲 600 m 激光干涉儀，並於1995年開工建設，2002年開始進行觀測。受限於硬件條件，GEO600的靈敏度不及 LIGO 和 Virgo 探測器，但由其所研發和測試的相關技術被廣泛應用於 LIGO 和 Virgo [8]。
〇 KAGRA探測器：是日本的地下激光干涉引力波探測器，位於著名的神岡中微子探測器附近，臂長 3 km。相較於前面三個引力波探測器，KAGRA探測器起步相對較晚，在2010年獲批，在2019年初步完成建設，目前探測靈敏度相較於LIGO和Virgo較低。不同於其他已建成的激光干涉儀，KAGRA採用低溫技術以降低熱噪聲影響，該技術可能爲未來靈敏度的改進帶來新的技術 [9]。
四個引力波探測器鳥瞰圖: LIGO-Hanford (左上)，LIGO-Livingston (右上)，GEO600 (左下) 和 Virgo (右下)。丨圖源：LIGO/GEO/Virgo Collaboration
04
首例引力波直接探測—GW150914
2015年9月14日，advanced LIGO 的兩個探測器同時觀測到一個引力波信號，信號由兩個雙黑洞併合所產生，其質量分別爲36個太陽質量和29個太陽質量，距離地球大約 410 Mpc，兩者併合後形成一個62倍太陽質量的黑洞，其中有3個太陽質量的能量被引力波信號帶走。得益於兩個探測器相距 3000 km，通過分析信號到達不同探測器的時間，可以得到得到波源的空間方位，其原理如下圖所示。
左：引力波探測器網絡空間定位原理；右：及LIGO-Virgo部分探測事件的空間定位示意圖丨圖源：LIGO/Virgo/NASA/L. Singer。
當兩個探測器同時進行觀測時，根據到達時間可以將其定位在一條條帶上，條帶的寬度正比於對到達時間測量的精確度。當有多個探測器同時進行觀測時，則可以對波源進行準確定位，以便於進行後續的電磁對應體觀測，這也是建立引力波探測器網絡的一個重要目的。
LIGO兩個探測器所探測的GW150914信號 [1]
GW150914的探測結果經過5個月左右的仔細分析，於2016年2月11日對外發布。2017年 Rainer Weiss, Kip Thorne 和 Barry Barish 三位因爲對引力波探測的決定性貢獻，被授予2017年的諾貝爾物理學獎。GW150914的探測標誌着引力波天文學的正式開啓。
05
首例雙中子星併合引力波信號探測—GW170817
2017年8月17日 LIGO 和 Virgo 同時觀測到一個源自於雙中子星併合的引力波信號—GW170817 [10]。儘管當時的 Virgo 的靈敏度較差，但是依然能夠協助 LIGO 進行波源空間定位。與此同時，併合發生 1.7s 後所產生的短伽馬射線暴也被Fermi衛星上GBM所觀測到，其他波段的電磁對應體也在後續的觀測中被發現 [11]。GW170817的探測及其電磁對應體的觀測標誌着多信使天文學進入新階段。
LIGO-Virgo探測器所探測的GW170817信號時頻圖 [10]。
06
多波段引力波天文學
以LIGO爲代表的地面激光干涉引力波探測器，致力於探測器 10 Hz — 1000 Hz 頻段的高頻引力波，其代表性波源包括恆星級緻密雙星系統的併合、旋轉中子星、超新星爆發，以及隨機引力波信號等。其他波段的引力波探測也在積極開展 [12]：
引力波波譜及其對應波源和探測方案丨圖源：NASA Goddard Space Flight Center
〇 低頻引力波 (10-4 Hz—1 Hz)：目前探測低頻引力波的方案基於十萬至百萬公里的空間激光干涉儀，代表方案包括歐洲的LISA、中國的太極計劃和天琴計劃。典型波源包括大質量黑洞併合、極端質量比旋近、恆星級緻密雙星的早期旋進和隨機引力波信號。
〇 甚低頻引力波 (10-9 Hz—10-6 Hz)：探測方案基於通過分析不同方向脈衝星的信號到達時間，構成脈衝星計時陣列 (PTA, pulsar timing array) 來探測引力波。目前國際上的相關組織團隊包括：北美的NANOGrav，歐洲的EPTA，澳洲的PPTA，中國的CPTA等。典型波源包括超大質量黑洞併合和隨機引力波信號。
〇 極低頻引力波 (10-18 Hz—10-15 Hz ):該頻段的引力波可能產生於宇宙早期的各種物理過程，目前的通過觀測宇宙微波背景輻射的偏振來進行探測，代表的觀測實驗包括南極的 BICEP 和中國西藏的阿里計劃等。
引力波作爲人類認識宇宙的新窗口，未來多波段引力波的觀測，以及多信使的觀測，將極大推進我們對於宇宙中極端條件下的天體物理過程的理解。
參考文獻：
1. LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration, Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016).
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_wave.
3. https://en.wikipedia.org/wiki/Sticky_bead_argument.
4. Jorge L. Cervantes-Cota, Salvador Galindo-Uribarri and George F. Smoot, A Brief History of Gravitational Waves, Universe, 2016, 2, 22
5. https://www.ligo.caltech.edu/system/media_files/binaries/313/original/LIGOHistory.pdf,
6. https://www.ligo.caltech.edu/page/about-aligo
7. https://www.virgo-gw.eu, https://en.wikipedia.org/wiki/Virgo_interferometer
8. https://www.geo600.org, https://en.wikipedia.org/wiki/GEO600
9. https://en.wikipedia.org/wiki/KAGRA
10. LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration, GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral, Phys. Rev. Lett. 119, 161101 (2017).
11. LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, Fermi GBM group et al, Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger, Astrophys. J. Lett. 848, L12 (2017).
12. Chiang-Mei Chen, James M. Nester, Wei-Tou Ni, A brief history of gravitational wave research, Chinese Journal of Physics (2017) 55 142–169
來源：中國科學院紫金山天文臺
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