引力波和如何探测引力波

引力波和如何探测引力波
   
   今天有网友提出：“你好！能否给我们简单介绍一下“激光干涉引力波天文台”探测引力波的工作原理，好吗？！”


以下是回复：

什么是引力波？

在物理学上，引力波是爱因斯坦广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动，如石头丢进水里产生的波纹一样，引力波被视为宇宙中的“时空涟漪”，这种波可以造成空间的拉伸和压缩。当然，通常引力波的产生非常困难，地球围绕太阳以每秒30千米的速度前进，发出的引力波功率仅为200瓦，还不如家用电饭锅的功率大。宇宙中大质量天体的加速、碰撞和合并等事件才可能形成强大的引力波。

如果石头对水波的影响你还是不容易理解，那就换种物体来感觉引力波的产生。你可以想象有一张很软的海绵床，上面铺着一个平整的橡胶膜。一只蚂蚁、及一个人分别在这张海绵床上跳动。这些跳动都会在床上引起波动，但是因为蚂蚁和人的质量不同，所以形成的波动也是不一样的。波动的不同，就会使橡胶膜形成不同的褶皱。蚂蚁质量小，虽然拼命跳动，也很难使橡胶膜发生形变。而人在上面跳过，橡胶膜每一次都会有较大的波动。

质量越大，空间被弯曲和扭曲得越厉害。地球围绕太阳转动，就是因为太阳质量非常大

如何探测引力波

床单的褶皱是我们比较容易发现的，但是引力波造成的空间“褶皱”测起来却非常困难。因为引力波引起的空间变形非常微小，不能用常规的测量工具去测量。这该怎么办呢？

让我们看看这次探测到引力波的美国“激光干涉引力波天文台”(LIGO)。

“先进LIGO”设施包括两条互相垂直的L型长臂，长度均为4千米。将一束激光用分光镜分成夹角为90°的两束，然后两束激光分别被4千米外的反射镜反射回来并发生干涉，并且这样的反射可以来回进行多次，从而大大增加激光运行的路径长度。由于光的频率和波长完全一致，在正常情况下，这两束激光应该是完全相同的，但是如果存在引力波作用，激光跑过的路程被引力波拉长或者压短，而无论时空如何变化，光速是不变的，这样，激光通过两条互相垂直的L型长臂的时间长度就会发生变化，从而影响探测器的结果。理论上，测量到了这些变化，科学家们就相当于测量到了引力波。

LIGO激光干涉引力波观测站。两个方向的隧道长度为四公里。


科学家们用实验证明了，相同的两束光垂直地发出去，若是引力波在起作用，等回来的时候，这两束光就不一样了。

2015年9月14日，人类首次探测到引力波信号，由质量相当于29个、36个太阳的两个黑洞合并时发出。二者形成了一个21倍太阳重量的旋转黑洞，大约与太阳相当的物质转化成能量，以引力波的形式释放出来。
在圣迭戈美国天文学会第228届年会上，LIGO(激光干涉引力波天文台)宣布，人类已经第二次发现了引力波！
2015年12月26日11时38分35秒，距离首次探测到引力波信号仅仅3个月后，高新激光干涉仪引力波天文台(Advanced LIGO)的两个探测器就记录到了新的引力波信号。
和上次一样，新的引力波信号还是来自于两个黑洞合二为一时最后的相互绕转，这种现象被称为并合(coalescence)。
这次并合的两个黑洞质量分别相当于8个和14个太阳，形成了21倍于太阳质量的旋转黑洞，大约与太阳相当的物质转化成能量，以引力波的形式释放出来。
人类再次发现引力波！还是双黑洞并合
整个过程与上次的发现如出一辙，但因为黑洞质量相对较小，信号也要弱一些，不过置信度仍然超过99.99999％。
而正是因为这次的两个黑洞较轻，相互靠近的速度没那么快，此次探测到的信号持续了几秒钟，上次还不到0.5秒，让科学家有机会对爱因斯坦的广义相对论进行一次完全不同的理论检验。
此次黑洞并合事件发生在距离地球大约14亿光年的地方，这意味着引力波在太空中已经穿行了14亿年，才抵达了位于美国路易斯安那州利文斯顿和华盛顿州汉福德的两台LIGO探测器。
位于路易斯安那州的探测器比另一台早1.1毫秒记录到了引力波信号，让科学家能够大致测定引力波源的方位。
人类再次发现引力波！还是双黑洞并合
Advanced LIGO探测器记录的引力波信号
三个月之内两次探测到引力波，说明双黑洞合并这样的灾难性事件在宇宙中应该是相当常见，也意味着，当美国的高新激光干涉仪引力波天文台和意大利的高新室女座引力波探测器(Advanced Virgo) 2016年底完成升级并恢复运行后，很可能会检测到更多引力波事件。
对LIGO探测器从2015年9月到2016年1月间采集的数据做的系统综合分析显示，2015年10月2日还有可能探测到了第三起此类事件，只不过置信度较低。
黑洞是最大质量恒星演化的最终阶段。其中一些黑洞成对形成，相互旋转，并以引力波的形式损失能量，因而会逐渐靠近，直到抵达一个临界点，令整个过程突然加速。它们最终会并合成一个单独的黑洞。
至于为什么去年年底的发现到半年之后的今天才公布，那是因为科学家需要处理数据，进行各种验算、检查，确保可信度足够高，才不至于闹“中微子超光速”之类的乌龙。
那么，这一发现对天文和宇宙学有何意义？
中国科学院粒子天体物理重点实验室主任、著名天体物理学家张双南博士表示：“如果这次的引力波事件的确来自于两个10倍左右太阳质量的黑洞并合，那么说明今后这种高频引力波探测的事件率将会比较高。第一个引力波事件来自于两个30倍左右太阳质量的黑洞，而那种黑洞以前我们所知甚少。10倍左右太阳质量的黑洞在银河系及附近的星系内很常见，这样的引力波事件距离我们更近，有利于对其电磁波对应体的搜寻，因此对引力波事件的电磁波对应体的搜寻将成为天文学的一个热点。无论能否找到双黑洞并合的电磁波对应体，都会对双黑洞的形成和演化机制作出强烈的限制。一旦通过电磁波精确测量到了引力波事件发生地的红移，就能够作为新的天文学距离测量手段，研究宇宙的膨胀。这对于恒星演化、黑洞形成，以及宇宙演化等研究，都将具有划时代的意义。”
感兴趣的可以去看看论文：
http://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.116.241103
人类再次发现引力波！还是双黑洞并合