杂志汇太空探索

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，如同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”。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，还不如家用电饭煲功率大。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。

1974年物理学家约瑟夫· 泰勒（Joseph Hooton Taylor, Jr）和拉塞尔·赫尔斯（Russell Alan Hulse）发现了一颗编号为PSR B1913+16的脉冲星，这是一颗高速旋转的中子星。每当这颗脉冲星的无线电波扫过地球时，接收机就能接收到一个脉冲信号。经过对PSR B1913+16发出的脉冲信号一段时间的测量之后，他们发现该脉冲星处于双星系统中，其伴星也是一颗中子星。根据广义相对论，该双星系统会以引力波的形式损失能量，轨道周期每年缩短76.5微秒，轨道半长轴每年减少3.5米，预计大约经过3亿年后发生合并。

自1974年，泰勒和赫尔斯对这个双星系统的轨道进行了长时间的观测，观测值和广义相对论预言的数值符合得非常好，这间接证明了引力波的存在。泰勒和赫尔斯也因这项工作于1993年荣获诺贝尔物理学奖。

尽管人类对双星系统的观测间接证明了引力波的存在，但始终没有直接探测到引力波。

地基引力波探测

上世纪60年代，马里兰大学的物理学家韦伯（Joseph Weber）首先提出了一种共振型引力波探测器。该探测器由多层铝筒构成，直径1米，长2米，质量约1000千克，用细丝悬挂起来。当引力波经过圆柱时，圆柱会发生共振，进而可以通过安装在圆柱周围的压电传感器检测到。韦伯曾经在相距1000千米的两个地方同时放置了相同的探测器，只有两个探测器同时检测到相同的信号才被记录下来。1968年，韦伯宣称他探测到了引力波，立刻引起了学界的轰动，但是后来的重复实验都一无所获。此后，美国、意大利、澳大利亚等国的科学家相继建造了类似的铝质圆柱形共振探测器，有的采取了更复杂的减震、低温、真空等措施排除干扰，都没有得到令人信服的证据。

上世纪70年代，加州理工学院的物理学家莱纳·魏斯（Rainer Weiss）等人意识到用激光干涉方法探测引力波的可能性。引力波的探测对仪器的灵敏度要求非常高，要能够在1000米的距离上感知10-18米的变化，相当于质子直径的千分之一。直到上世纪90年代，如此高灵敏度所需的技术条件才逐渐趋于成熟。

1991年，麻省理工学院与加州理工学院在美国国家科学基金会（NSF）的资助下，开始联合建设“激光干涉引力波天文台”（LIGO）。LIGO的主要部分是两个互相垂直的干涉臂，臂长均为4000米。在两臂交会处，从激光光源发出的光束被一分为二，分别进入互相垂直并保持超真空状态的两空心圆柱体内，然后被终端的镜面反射回原出发点，并在那里发生干涉。若有引力波通过，便会引起时空变形，一臂的长度会略为变长而另一臂的长度则略为缩短，这样就会造成光程差发生变化，因此激光干涉条纹就会发生相应的变化。两台孪生引力波探测器分别在华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的列文斯顿，彼此相距3000千米。只有当两个探测器同时检测到相同的信号才有可能是引力波。LIGO于1999年初步建成，2002年开始运行。

2007年，LIGO进行了一次升级改造，包括采用更高功率的激光器、进一步减少振动等。升级后的LIGO被称为“增强LIGO”。2009年7月，增强LIGO 开始运行直到2010年10月结束。

在2002年到2010年期间，LIGO没能探测到引力波存在的可靠证据。

2010年，LIGO进行了为期五年的重大升级改造，改造之后的探测器灵敏度要求提高10倍，被称为“先进LIGO”。2015年9月，先进LIGO 开始试运行，灵敏度只提高了4倍，预计到2021年才能达到10倍的设计灵敏度。截止发稿时，有传言称先进LIGO探测到了引力波信号，但官方还没有表态。

目前主流的引力波探测器都是这种基于迈克耳孙干涉仪的原理。世界范围内，除了美国的LIGO引力波探测器之外，还有德国和英国合作的GEO600、法国和意大利合作的VIRGO、日本的TAMA300以及计划中的KAGRA（原LCGT）、澳大利亚计划中的AIGO以及印度计划中的LIGO-India。

地基探测器探测引力波的频率范围是1赫兹~10-4赫兹，潜在的引力波源包括超新星爆发、致密双星的合并等。

利用激光干涉的方法，我们虽然可以在地面上探测到非常微小的长度变动。然而，由于探测器太过灵敏，稍有风吹草动它都会受到影响。几千米外卡车驶过高速公路，几十千米外的森林里有人砍树，几百千米外海浪拍着沙滩，都会在地面引力波探测器上留下踪迹。

目前，地基引力波探测器由于干涉仪臂长受限，无法达到探测低频引力波的精度，因此置于太空中一方面能彻底消除地面震动噪声的干扰，另一方面干涉臂的长度不受地球尺寸的限制，可以做到非常大。要探测低频引力波，就必须远离地球，向太空进发。理论上，LISA探测引力波频率范围为10 -5赫兹~1赫兹。

在“激光干涉太空引力波天线”（LISA）最初的设计中，天线阵列由三个探测器组成，分别置于边长为500万千米的正三角形的3个顶点上，运行在与地球相同的日心轨道上，距离地球5000万千米。

每个探测器上都安装有完全相同的激光干涉仪，会和相邻的探测器组成一组干涉阵列。理论上如果有引力波扫过干涉阵列，就会拉伸和挤压探测器之间的空间，探测器相对位置的改变就会引起激光干涉条纹的变化，从而探测到引力波的存在。 理论上，LISA能够在100万千米距离上感知10-11米的变化，相当于原子直径的十分之一。

最初，LISA是美国航宇局（NASA）和欧空局(ESA)的合作项目。然而，2011年美国航宇局因缺少经费而宣布退出合作。因此，欧空局在设计上对LISA进行了简化，三个探测器之间的距离缩小到100万千米，更名为eLISA。目前eLISA仍然处于研发状态，预计2034年发射。

eLISA潜在的引力波源包括致密双星系统、超大质量双黑洞的盘旋与合并、致密天体围绕超大质量黑洞运行等。

为了对后续真正能探测到引力波的eLISA进行技术验证，欧空局2000年开始研发“LISA探路者”，原计划2008年发射，但由于技术难点一直耽搁，直到2015年12月才发射升空。

基本上，“LISA探路者”就是把整个100万千米的eLISA基线浓缩到一个探测器之内，让两个质量块处于几乎完全的自由落体状态，然后对它们的相对运动进行前所未有的高精度测量。该装置使用了先进的激光干涉原理，能把这两个相距38厘米的质量块精确到0.01纳米。这种技术将来会用在eLISA上面，能够直接对引力波进行探测。

值得一提的是，科学家也在利用一种叫“脉冲星计时阵列”（PTA）的射电天文方法探测更低频率（纳赫兹）的引力波。PTA与eLISA、LIGO在探测频率上形成互补关系。

引力波探测的意义

引力波探测除了能够检验广义相对论之外，还有助于证明其它版本的引力理论正确与否，还将推动引力量子化的研究，最终把引力融入其它三种基本相互作用，完成爱因斯坦的伟大梦想。

引力波天文学将是继传统电磁波天文学、宇宙线天文学和中微子天文学之后，人类认识宇宙的全新窗口，必将引发一场天文学的革命。

引力波像其它的波一样，携带着能量和信息。电磁波（宇宙背景微波辐射）只能让我们看到大爆炸38万年之后的景象，而引力波能够让我们回望宇宙大爆炸最初瞬间，检验宇宙大爆炸理论的正确与否。

PTA、LISA/eLISA与LIGO/aLIGO三种方式分别探测不同频率的引力波，构成互补关系

2014年3月份，天文学家们宣布在宇宙背景微波辐射中发现了原初引力波的证据，是138亿年前创造宇宙的大爆炸中产生的痕迹。当引力波传播时它能够对空间挤压和拉伸，因为微波背景辐射也是一种光线，也具备光的所有性质，包括偏振。科学家声称找到的是一种称为“B-模”的特殊偏振形式，它的出现是引力波存在的独特标记。但2015年1月，该团队宣布他们观测到的所谓原初引力波来自宇宙尘埃颗粒的干扰。