引力波天文學(xué)

引力波天文學(xué)觀測天文學(xué)20世紀(jì)中葉以來逐漸興起的一個新興分支01簡介研究對象特點引力波源目錄03020405背景應(yīng)用引力波探測器外部鏈接目錄070608基本信息引力波天文學(xué)（英語：Gravitational-waveastronomy）是觀測天文學(xué)20世紀(jì)中葉以來逐漸興起的一個新興分支，其發(fā)展基礎(chǔ)是廣義相對論中引力的輻射理論在各類相對論性天體系統(tǒng)研究中的應(yīng)用。與基于電磁波觀測的傳統(tǒng)觀測天文學(xué)相對比，引力波天文學(xué)是通過引力波這個途徑來觀測發(fā)出引力輻射的天體系統(tǒng)。廣義相對論預(yù)言下的引力波來自于宇宙間帶有強(qiáng)引力場的天文學(xué)或宇宙學(xué)波源，近半個世紀(jì)以來的天體物理學(xué)研究表明，引力輻射在天體系統(tǒng)中出現(xiàn)的場合非常豐富。這些可期待的波源包括銀河系內(nèi)的雙星系統(tǒng)（白矮星、中子星或黑洞等致密星體組成的雙星）、河外星系內(nèi)的超大質(zhì)量黑洞的合并、脈沖星的自轉(zhuǎn)、超新星的引力坍縮、大爆炸留下的背景輻射等等。引力波的觀測意義不僅在于對廣義相對論的直接驗證，更在于它能夠提供一個觀測宇宙的新途徑，就像觀測天文學(xué)從可見光天文學(xué)擴(kuò)展到全波段天文學(xué)那樣極大擴(kuò)展人類的視野。傳統(tǒng)的觀測天文學(xué)完全依靠對電磁輻射的探測，而引力波天文學(xué)的出現(xiàn)則標(biāo)志著觀測手段已經(jīng)開始超越電磁相互作用的范疇，引力波觀測將揭示關(guān)于恒星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。簡介簡介由于萬有引力相互作用和電磁相互作用相比強(qiáng)度十分微弱，引力波的直接觀測對現(xiàn)有技術(shù)而言是一個很大的挑戰(zhàn)。自1915年愛因斯坦發(fā)表廣義相對論，在理論上預(yù)言引力波的存在以來，之后一世紀(jì)時間，引力波都未能在實驗上直接被檢測到。因此從這個意義上說，真正實現(xiàn)通過引力波的觀測來從實驗上研究天體系統(tǒng)，從而完善引力波天文學(xué)這一新興領(lǐng)域還為時尚早。但從相關(guān)的理論研究角度來看，理論上的引力波天文學(xué)已經(jīng)存在，它的發(fā)展基礎(chǔ)是20世紀(jì)中葉以來在引力輻射框架下的天體物理學(xué)研究，其中最著名的例子是普林斯頓大學(xué)的拉塞爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒發(fā)現(xiàn)的脈沖雙星，PSR1913+16，

這些研究使人們逐漸發(fā)現(xiàn)相對論性引力在天體系統(tǒng)中的重要地位。

2016年2月11日，激光干涉引力波天文臺（LIGO）團(tuán)隊于華盛頓舉行的一場會上宣布人類對于引力波的首個直接探測結(jié)果。所探測到的引力波來源于雙黑洞并合。兩個黑洞分別估計為29及36倍太陽質(zhì)量，這次探測為物理學(xué)家史上首次由地面直接成功探測引力波。

同年6月15日，LIGO團(tuán)隊宣布，第二次直接探測到引力波。所探測到的引力波也來源于雙黑洞并合。兩個黑洞分別估計為14.2及7.8倍太陽質(zhì)量。

特點特點與基于電磁波觀測的傳統(tǒng)觀測天文學(xué)不同，引力波天文學(xué)具有如下特點：研究對象研究對象引力波天文學(xué)這個名稱現(xiàn)在已經(jīng)脫離了單純意義上的觀測天文學(xué)范疇，粗略來講引力波天文學(xué)涉及以廣義相對論為基礎(chǔ)的理論和實驗引力波天文學(xué)這個名稱現(xiàn)在已經(jīng)脫離了單純意義上的觀測天文學(xué)范疇，粗略來講引力波天文學(xué)涉及以廣義相對論為基礎(chǔ)的理論和實驗天體物理學(xué)、激光物理、數(shù)字信號處理、控制論、概率統(tǒng)計等多方面的領(lǐng)域。伯納德·舒爾茨曾列出成功觀測引力波的五條關(guān)鍵要素：

從這五條要素可以將引力波天文學(xué)劃歸為三個方向。引力波源引力波源研究對象為第2條和第5條，主要研究被認(rèn)為可觀測引力波源的物理性質(zhì)，從理論上計算具體的引力波源產(chǎn)生的引力波的波形，以及這些特定的波源在星系中的數(shù)量和在某一時空范圍內(nèi)被觀測到的幾率。天體物理學(xué)中研究的電磁波譜是從赫茲開始，向上延伸20個數(shù)量級；而引力波譜通常最高為赫茲，也向下延伸20個數(shù)量級左右，范圍從最高頻的超新星引力坍縮和毫秒脈沖星到最低頻的宇宙早期量子漲落，涵蓋種類繁多的天體系統(tǒng)。

年來關(guān)于引力輻射理論的研究著重于使用不同的近似來研究兩體問題，主要原因在于雙星系統(tǒng)是重要的引力波源，而且在相對論力學(xué)中兩體問題并不像牛頓力學(xué)中的兩體問題那么容易解析。在相對論力學(xué)中，兩體問題只能得到近似解，這是因為在處理輻射場以及處理非線性的愛因斯坦方程方面碰到嚴(yán)峻瓶頸。

最直接的辦法是數(shù)值解愛因斯坦方程，或者應(yīng)用近似的解析方法。后牛頓力學(xué)近似方法是一種典型并且常用的解析方法，這種近似試圖模仿牛頓力學(xué)的形式來解決較弱引力場的相對論問題。具體做法是對微小的牛頓力學(xué)量加以展開，可以選擇展開的項有速度或者牛頓引力勢這實則是對相對論一種弱場低速的近似。這兩個量是相的，因為對自引力系統(tǒng)，甚至相對論性引力系統(tǒng)而言。

當(dāng)前對引力波的波形的預(yù)測有解析和數(shù)值計算的方法：背景背景1916年，愛因斯坦在其著名的廣義相對論中的引力場方程展示了，在平坦真空背景下忽略自引力的引力波動行為，也就是說引力——這種時空本身的性質(zhì)，其擾動可以在時空中以光速傳播。愛因斯坦廣義相對論的成功在于它的預(yù)言大多得到了觀測的很好地證實，這其中包括三大經(jīng)典檢驗：1）水星近日點進(jìn)動；2）光線在引力場中的偏折；3）引力紅移效應(yīng)。但是實驗物理學(xué)家永遠(yuǎn)不會停止檢驗一個理論的腳步，廣義相對論也繼續(xù)不停地經(jīng)受著各種實驗和天文觀測的考驗，甚至同一實驗人們也在不停地想方設(shè)法提高精度。同時理論家們?yōu)榇艘膊粩嗟貙V義相對論的引力理論進(jìn)行完善，也有人不斷提出不同于廣義相對論的引力理論。前者比如1957年前后，引力波攜帶能量，引力波無窮遠(yuǎn)處漸近行為，彎曲時空下短波近似的引力波發(fā)射等等工作才慢慢使得引力波的存在至少在理論上是被廣泛接受的。后者的例子也很多，比如著名的Brans-Dicke理論等等。20世紀(jì)五六十年代掀起的一股檢驗廣義相對論的浪潮中，RusselHulse和JosephTaylor對脈沖雙星PSR1913+16的觀測是尤為著名的一個經(jīng)典。他們對于雙星繞轉(zhuǎn)軌道的監(jiān)測結(jié)果精確地與廣義相對論下由于引力輻射導(dǎo)致能量損失的預(yù)言相吻合，這就間接地證明了引力波的存在。這項工作也因此獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎。另一方面，被稱為“引力波天文學(xué)之父”的JosephWeber在上世紀(jì)六七十年代利用共振棒天線企圖直接探測引力波的開創(chuàng)性實驗也極大刺激了整個科學(xué)界對于引力波探測的熱情。盡管他前后兩次宣稱探測到了引力波信號的實驗備受爭議，也都沒有得到來自同行的認(rèn)可。引力波探測器引力波探測器研究對象主要研究引力波探測器的設(shè)計和構(gòu)造原理，噪聲分析以及探測器對引力波的響應(yīng)?，F(xiàn)今一般的激光干涉探測器的基本構(gòu)造是一個干涉測量系統(tǒng)，在探測器的設(shè)計中需要考慮如何正確測量到干涉信號，以及如何測量到有用的引力波信號。為使引力波探測器能夠達(dá)到探測各種引力波源的要求，探測器的靈敏度是決定因素。由于可觀測的引力輻射數(shù)量級在左右，粗略來說探測器的靈敏度應(yīng)該相當(dāng)于或優(yōu)于這個數(shù)量級。

但在實際應(yīng)用中由于各種隨機(jī)噪聲的影響總是存在，這些噪聲是制約探測器靈敏度提升的主要原因。每一臺引力波探測器都有其特定的頻域下的靈敏度曲線，靈敏度曲線是由特定頻域下的主導(dǎo)噪聲決定的，

不過通常情況下噪聲的數(shù)量級遠(yuǎn)超過探測器的靈敏度要求，因此需要找到所有可能造成影響的噪聲源并盡可能將這些噪聲降低至靈敏度的要求，否則真正的引力波信號就會淹沒在噪聲的海洋中無法識別。如何降噪是引力波探測器設(shè)計制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，在實際應(yīng)用中探測器有各種降噪手段，包括被廣泛采用的自動控制的方法，通過反饋信號將參數(shù)穩(wěn)定在規(guī)定的目標(biāo)范圍內(nèi)。例如對激光干涉空間天線（LISA）而言，主要的噪聲源來自探測器本身的激光頻率噪聲，LISA因此有其相應(yīng)的激光頻率降噪技術(shù)，包括光學(xué)諧振腔相位調(diào)變的解調(diào)技術(shù)、時間延遲干涉測量術(shù)等。

而引力波信號傳播到探測器時，由于受到地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的多普勒調(diào)制，頻率、振幅、相位等參數(shù)會發(fā)生改變；加上坐標(biāo)變換、探測器本身對引力波存在特定的響應(yīng)模式（即天線樣式，AntennaPattern）等因素，探測器得到的引力波信號和其在TT規(guī)范下的形式會很不相同，這也是引力波探測器的研究內(nèi)容之一。

應(yīng)用應(yīng)用LIGO最早的建造者之一、加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家基普?索恩（KipThorne）認(rèn)為，首先發(fā)現(xiàn)引力波并不是LIGO的首要任務(wù)。在取得了突破性成就之后，aLIGO團(tuán)隊開始把a(bǔ)LIGO轉(zhuǎn)換為一個常用的引力波探測設(shè)備，當(dāng)引力波探測成為常態(tài)之后，就會開啟天文學(xué)研究的另一扇窗――引力波天文學(xué)。在20世紀(jì)90年代，幾位引力波探測的先行者試圖申請美國自然科學(xué)基金撥款，建造激光干涉引力波天文臺時，最主要的反對聲就來自于天文學(xué)家。當(dāng)時的天文學(xué)家們認(rèn)為建造這樣耗資巨大的探測裝置對于天文學(xué)研究毫無用處，但現(xiàn)代的天文學(xué)家們已經(jīng)開始暢想引力波天文學(xué)的廣闊前景。利用引力波，天文學(xué)家們可以為許多懸而未決的天文學(xué)問題寫出答案，而更令人激動的則是此時人們甚至還沒有預(yù)料到的突破。引力波與電磁波有著本質(zhì)的不同，這使此前主要通過電磁波觀測宇宙的天文學(xué)家們多出了一個截然不同的宇宙觀測方法，因此有人把發(fā)現(xiàn)引力波的意義同伽利略第一次利用自己磨制的望遠(yuǎn)鏡觀察天空相提并論。人類多出了一種探測宇宙的新方法，對于同一個天文事件，天文學(xué)家就可以通過電磁波、中微子和引力波等不同的手段進(jìn)行比較觀測，當(dāng)引力波天文臺探測到一個信號之后，可以馬上提醒其他類型的天文望遠(yuǎn)鏡對一個特定區(qū)域進(jìn)行觀測并進(jìn)行比較。除此之外，相比于電磁波，利用引力波進(jìn)行天文學(xué)探測有著獨特的優(yōu)勢。外部鏈接外部鏈接AstroGravS關(guān)于引力波源的數(shù)據(jù)庫（英文）（/docs/index.html）加州理工學(xué)院物理學(xué)教授西恩