百科智库 | 追踪时空涟漪 - 双黑洞引力波

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，引力波由黑洞等天体在碰撞过程中产生，可把它想象成石头丢进水里产生的波纹。假如将一个三维的空间简化成一个二维的面，如果处于这个空间中的天体质量发生变化，或在高速运动，或和围绕它转的东西碰撞、并合，会使得二维的面发生变化，而这个变化不是固定的变化。空间的变化随着时间往外传播，就是引力波。

早在1916年，爱因斯坦就预言了引力波的存在。引力波是“时空的涟漪”。如果有一列引力波传来，它会使与其传播方向垂直的空间发生周期性的形变：横向收缩，纵向就拉伸；横向拉伸，纵向就收缩。由于空间本身在形变，置身于其中的物体自然也会跟着形变。也就是说，当引力波传来的时候，小到一把尺子，大到整个地球，都会在与引力波垂直的方向上发生周期性的伸缩。

不过，你不必担心引力波会把我们扯坏。这是因为一列引力波总是按照一个固定的比例来拉伸物体，而这个比例又特别特别小。到底小到什么地步呢？最多不超过10万亿亿分之一。打个比方。如果有把尺子长达1000公里，相当于从北京到上海的直线距离，那引力波大概能使它变动1000万亿分之一米，相当于一个原子核的大小。如果有把尺子长达10万光年，相当于我们银河系的直径，那引力波大概能使它变动1米。

宇宙中大质量天体的加速、碰撞和合并等事件才可以形成强大的引力波，但能产生这种较强引力波的波源距离地球都十分遥远，传播到地球时变得非常微弱。信号太微弱，就是引力波特别难测的原因。

早在上世纪50年代，韦伯 (引力波之父) 选择了两根长2米，直径1米，重约1吨的圆柱形铝棒，其侧面指向引力波到来的方向。该类型探测器，被业内称为共振棒探测器，也叫“韦伯棒”。

韦伯认为，可以利用共振现象来探测引力波。韦伯棒的本身频率是1660赫兹。如果远处传来的引力波的频率也是1660赫兹，就可以使韦伯棒发生共振，从而让韦伯棒的伸缩幅度大幅增加，进而被安装在韦伯棒周围的探测器检测到。

为了提升韦伯棒的探测能力，韦伯想了不少办法，比如他用细细的铁丝将韦伯棒悬挂起来，从而减小了振动时韦伯棒的能量损失。另外，为了避免地震等意外因素的干扰，韦伯在两个相距上千公里的地方放置了两个完全相同的韦伯棒——只有当两个探测器同时探测到一模一样的引力波信号之时，才说明韦伯棒探测到了引力波。这些想法，后来也都被LIGO采纳了。

那探测到引力波的英雄 —  LIGO和Virgo到底是一套怎样的系统？它是如何充当人类探索宇宙的“耳目”？

高新LIGO 和 高新Virgo探测器分别是双臂长度为四公里及三公里的大型激光迈克尔孙干涉仪。前者位于美国，而后者则位于意大利的卡希纳。这三台探测器和位于德国的GEO600 探测器最初设计于1990年代，2000年左右被最终建成。经历了为期数年的升级计划，提升探测的体积范围 和灵敏度。

2000年-2015年9月18日，LIGO升级成Advanced LIGO (ALIGO)。LIGO的2个探测器，分别位于南海岸的 Livingston和西北海岸的 Hanford，两地相距约3002千米。每个探测器包含两个长度为 4 公里、布置成 L 形的真空管。科学家们通过真空管来发射激光束。每束激光到达真空管末端后，会被镜面反射，并沿相反路线返回。

在正常情况下，两条长臂应该是完全等长的，因此激光束在两条长臂中传播所花费的时间是一样的。然而一旦有引力波穿过探测器，时空的扭曲会导致一个方向上的长臂长度就会被压缩，而在另一个方向上的长臂则会被拉伸，从而导致两束激光束传播的时间长度出现差异，当它们反射回来并汇合时，就会出现干涉条纹。

虽然LIGO和Virgo探测器探测引力波的原理相同，都是激光干涉，在设计上有许多共通点，但它们是被完全独立地建造和运行的。

GW170814信号在到达LIGO探测器之后的三十秒之后便被识别出来，该探测随即触发警报并被发送给LIGO-Virgo科学合作组织的其他合作伙伴天文台，其中也包括中国的天眼——FAST望远镜。之后，配合使用该次事件前后6天的LIGO一致性数据，该信号的显著性水平被进一步提高，该事件的误报率也被计算出来（即连续观测多长时间才有机会观测到一个恰好由噪音形成的、与是次观测相一致的假信号，如果该次信号是假信号，则不同探测器的噪音需要同时恰好形成信号的样子——这样的概率是非常低的)。以GW170814为例，这次事件的假警报率大约为两万七千年一次。

通过分析信号到达各个探测器的时间差，我们可以估计信号源在天空上的位置。造成这些时间差的原因是因为引力波的速度是有限的（等于光速），两个相距三千公里的LIGO探测器最多可以有十毫秒的信号到达时间差。假设我们清楚知道信号到达探测器的时间，每个时间差会对应到天空上的一个圈，表示这些信号源在天空上的位置，位于该圈内的信号源都会产生这样的到达时间差。在三个探测器所形成的网络，我们可以得到三个时间差，可以对应到有两个交点的三个圈。

本次事件的特别之处在于，它是首个由两个LIGO探测器和Virgo探测器共同完成的观测。三个探测器合作极具科学潜力，这一点可以从GW170814看出——其波源位置（包括天空位置与距离）比以往更为准确，其数据也更适合广义相对论检验。

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