引力波观测宇宙的新窗口

　　人类迄今对宇宙观测主要通过四种方式：电磁辐射、宇宙射线、中微子和引力波。2015年9月advancedLIGO激光干涉仪实现了引力波的首次直接探测，开启了引力波观测宇宙的新窗口〔1〕。5年前的今天，首例双中子星并合的引力波信号GW170817被成功捕获，标志着多信使天文学进入新阶段。
　　01先行者的探索
　　在1916年，爱因斯坦在完成广义相对论引力场方程之后，随即预言了引力波。但是同时也认为引力波的强度如此之小，或许人类永远无法探测到。值得一提的是在爱因斯坦之前，奥利弗黑维赛（OliverHeaviside）和亨利庞加莱（HenriPoincar）都有讨论过引力波的存在的可能性〔2〕。
　　尽管爱因斯坦在20世纪初就预言了引力波，但是直到1957年在美国北卡罗来纳州的ChapelHill会议上，科学家对于引力波的物理属性认识才逐渐清晰。对于引力波研究，这是一个具有里程碑意义的会议，汇集了惠勒（Wheeler）、费曼（Feynman）、施温格（Schwinger）等著名物理学家，为期六天的会议深入探讨了引力物理的诸多问题，其中一个重要议题就是引力波是否具有实际物理效应，更为具体的一点就是引力波是否携带能量？费曼提出了理想实验粘珠实验（Stickybeadargument）〔3〕：
　　假定两个珠子能够在一根棒上自由滑动，但具有轻微的摩擦，当引力波经过该实验装置时，棒的长度由于材质间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动，从而产生热能。
　　这个理想实验解释了引力波携带能量的属性。（这次会议也被称为GR1会议，该系列会议每3年一次，2022年的GR23会议在中国举办）。
　　粘珠实验示意图〔4〕
　　在会议之后，与会的约瑟夫韦伯（JosephWeber）开展了引力波探测器的的设计，他所设计的棒状探测器后来被称为Weberbars。他将两个棒状探测器分别布置于马里兰大学（UniversityofMaryland）和芝加哥附近的阿尔贡国家实验室（ArgonneNationalLaboratory），两个探测器相距约950km用于排除局部环境噪声对探测器的影响。
　　1969年，韦伯发表了一篇PRL文章宣布探测到了引力波信号，并在随后实验中探测到了多个源自银河系中心方向的引力波信号。之后有多个国际团组跟进同类实验，然而并未探测到同类信号，同时，理论天体物理学家的计算也对Weber的探测率进行了否定。尽管此后学界已普遍不认为韦伯探测到了引力波信号，但作为探测引力波的先驱，让学界重新审视引力波探测的方法。
　　JosephWeber与其设计的棒状引力波探测器丨图源：SpecialCollectionsandUniversityArchives，UniversityofMarylandLibraries
　　02引力波的间接观测
　　1974年，天文学家RussellA。Hulse和JosephH。Taylor发现了脉冲双星系统PSRB191316，并通过脉冲观测发现了双星相互绕转过程中的轨道周期变化。根据广义相对论，双星绕转将产生引力辐射，引力波带走系统能量将导致其绕转周期的缩短，连续观测结果与广义相对论的理论预言相互吻合。该观测从侧面证实了引力波的存在，也验证了引力波携带能量。Hulse和Taylor两人因发现新类型的脉冲星系统、开辟了研究引力的新途径而获得1993年的诺贝尔物理学奖。
　　左：脉冲双星系统示意图（Credit：MichaelKramer）；右：PSRB191316双星系统轨道周期变化与广义相对论理论预测对比图（WeisbergandHuang2016）。
　　03激光干涉引力波探测器
　　20世纪60年代到70年代，激光干涉仪作为更具潜力的引力波探测装置，美国、前苏联、德国、英国、法国和意大利纷纷对其相关技术展开了广泛的研究，并形成了后来的多个激光干涉引力波探测器。
　　LIGO探测器：目前包含两个臂长为4km的激光干涉仪，分别位于美国的华盛顿州Hanford和路易斯安那州的Livingston（在建的第三个探测器位于印度），两个探测器相距3000km（光程10毫秒）。1990年获得美国国家科学基金会（NSF）支持，initialLIGO探测器到2002年完成建设、设备安装和工程调试，随后进行引力波信号搜寻工作，观测持续到2010年，但并未探测到引力波信号。在20102014年initialLIGO被升级到advancedLIGO，通过增加干涉仪光学镜质量、改进隔震系统和悬挂系统等，在2015年升级完成并开始运行，在观测初期实现引力波的首次直接探测〔5，6〕。
　　Virgo探测器：其名字源自于探测室女座星系团范围内的引力波事件，随着灵敏度的提升该名字已失去最初的意义。Virgo探测器最初由法国CNRS和意大利INFN联合建立，两个机构分别于1993年和1994年先后批复了该项目，探测器臂长为3km，位于意大利Pisa郊区的Cascina。initialVirgo的建成于2003年，之后持续观测到2011年，之后对其进行advancedVirgo升级。但由于多种因素的影响，直到2017年，advancedVirgo才与两个advancedLIGO探测器联合观测。尽管Virgo探测器错过了首例双黑洞并合的引力波信号，但没有错失首例双中子星并合的引力波信号〔7〕。
　　GEO600探测器：是由德国和英国联合建立的引力波探测器，探测器最初的设计目标是在德国北部的Harz山建立臂长为3km的地下激光干涉仪，然而在1989年，项目申请并未获得资金支持。1994年，探测器方案变为在德国汉诺威（Hannover）郊区建立一个臂长为600m激光干涉仪，并于1995年开工建设，2002年开始进行观测。受限于硬件条件，GEO600的灵敏度不及LIGO和Virgo探测器，但由其所研发和测试的相关技术被广泛应用于LIGO和Virgo〔8〕。
　　KAGRA探测器：是日本的地下激光干涉引力波探测器，位于著名的神冈中微子探测器附近，臂长3km。相较于前面三个引力波探测器，KAGRA探测器起步相对较晚，在2010年获批，在2019年初步完成建设，目前探测灵敏度相较于LIGO和Virgo较低。不同于其他已建成的激光干涉仪，KAGRA采用低温技术以降低热噪声影响，该技术可能为未来灵敏度的改进带来新的技术〔9〕。
　　四个引力波探测器鸟瞰图：LIGOHanford（左上），LIGOLivingston（右上），GEO600（左下）和Virgo（右下）。丨图源：LIGOGEOVirgoCollaboration
　　04首例引力波直接探测GW150914
　　2015年9月14日，advancedLIGO的两个探测器同时观测到一个引力波信号，信号由两个双黑洞并合所产生，其质量分别为36个太阳质量和29个太阳质量，距离地球大约410Mpc，两者并合后形成一个62倍太阳质量的黑洞，其中有3个太阳质量的能量被引力波信号带走。得益于两个探测器相距3000km，通过分析信号到达不同探测器的时间，可以得到得到波源的空间方位，其原理如下图所示。
　　左：引力波探测器网络空间定位原理；右：及LIGOVirgo部分探测事件的空间定位示意图丨图源：LIGOVirgoNASAL。Singer。
　　当两个探测器同时进行观测时，根据到达时间可以将其定位在一条条带上，条带的宽度正比于对到达时间测量的精确度。当有多个探测器同时进行观测时，则可以对波源进行准确定位，以便于进行后续的电磁对应体观测，这也是建立引力波探测器网络的一个重要目的。
　　LIGO两个探测器所探测的GW150914信号〔1〕
　　GW150914的探测结果经过5个月左右的仔细分析，于2016年2月11日对外发布。2017年RainerWeiss，KipThorne和BarryBarish三位因为对引力波探测的决定性贡献，被授予2017年的诺贝尔物理学奖。GW150914的探测标志着引力波天文学的正式开启。
　　05首例双中子星并合引力波信号探测GW170817
　　2017年8月17日LIGO和Virgo同时观测到一个源自于双中子星并合的引力波信号GW170817〔10〕。尽管当时的Virgo的灵敏度较差，但是依然能够协助LIGO进行波源空间定位。与此同时，并合发生1。7s后所产生的短伽马射线暴也被Fermi卫星上GBM所观测到，其他波段的电磁对应体也在后续的观测中被发现〔11〕。GW170817的探测及其电磁对应体的观测标志着多信使天文学进入新阶段。
　　LIGOVirgo探测器所探测的GW170817信号时频图〔10〕。
　　06多波段引力波天文学
　　以LIGO为代表的地面激光干涉引力波探测器，致力于探测器10Hz1000Hz频段的高频引力波，其代表性波源包括恒星级致密双星系统的并合、旋转中子星、超新星爆发，以及随机引力波信号等。其他波段的引力波探测也在积极开展〔12〕：
　　引力波波谱及其对应波源和探测方案丨图源：NASAGoddardSpaceFlightCenter
　　低频引力波（104Hz1Hz）：目前探测低频引力波的方案基于十万至百万公里的空间激光干涉仪，代表方案包括欧洲的LISA、中国的太极计划和天琴计划。典型波源包括大质量黑洞并合、极端质量比旋近、恒星级致密双星的早期旋进和随机引力波信号。
　　甚低频引力波（109Hz106Hz）：探测方案基于通过分析不同方向脉冲星的信号到达时间，构成脉冲星计时阵列（PTA，pulsartimingarray）来探测引力波。目前国际上的相关组织团队包括：北美的NANOGrav，欧洲的EPTA，澳洲的PPTA，中国的CPTA等。典型波源包括超大质量黑洞并合和随机引力波信号。
　　极低频引力波（1018Hz1015Hz）：该频段的引力波可能产生于宇宙早期的各种物理过程，目前的通过观测宇宙微波背景辐射的偏振来进行探测，代表的观测实验包括南极的BICEP和中国西藏的阿里计划等。
　　引力波作为人类认识宇宙的新窗口，未来多波段引力波的观测，以及多信使的观测，将极大推进我们对于宇宙中极端条件下的天体物理过程的理解。
　　参考文献：
　　1。LIGOScientificCollaborationandVirgoCollaboration，ObservationofGravitationalWavesfromaBinaryBlackHoleMerger，Phys。Rev。Lett。116，061102（2016）。
　　2。https：en。wikipedia。orgwikiGravitationalwave。
　　3。https：en。wikipedia。orgwikiStickybeadargument。
　　4。JorgeL。CervantesCota，SalvadorGalindoUribarriandGeorgeF。Smoot，ABriefHistoryofGravitationalWaves，Universe，2016，2，22
　　5。https：www。ligo。caltech。edusystemmediafilesbinaries313originalLIGOHistory。pdf，
　　6。https：www。ligo。caltech。edupageaboutaligo
　　7。https：www。virgogw。eu，https：en。wikipedia。orgwikiVirgointerferometer
　　8。https：www。geo600。org，https：en。wikipedia。orgwikiGEO600
　　9。https：en。wikipedia。orgwikiKAGRA
　　10。LIGOScientificCollaborationandVirgoCollaboration，GW170817：ObservationofGravitationalWavesfromaBinaryNeutronStarInspiral，Phys。Rev。Lett。119，161101（2017）。
　　11。LIGOScientificCollaboration，VirgoCollaboration，FermiGBMgroupetal，MultimessengerObservationsofaBinaryNeutronStarMerger，Astrophys。J。Lett。848，L12（2017）。
　　12。ChiangMeiChen，JamesM。Nester，WeiTouNi，Abriefhistoryofgravitationalwaveresearch，ChineseJournalofPhysics（2017）55142169