引力波天文學(xué)

引力波天文學(xué)觀測(cè)天文學(xué)20世紀(jì)中葉以來逐漸興起的一個(gè)新興分支01簡(jiǎn)介研究對(duì)象特點(diǎn)引力波源目錄03020405背景應(yīng)用引力波探測(cè)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(cè)天文學(xué)20世紀(jì)中葉以來逐漸興起的一個(gè)新興分支，其發(fā)展基礎(chǔ)是廣義相對(duì)論中引力的輻射理論在各類相對(duì)論性天體系統(tǒng)研究中的應(yīng)用。與基于電磁波觀測(cè)的傳統(tǒng)觀測(cè)天文學(xué)相對(duì)比，引力波天文學(xué)是通過引力波這個(gè)途徑來觀測(cè)發(fā)出引力輻射的天體系統(tǒng)。廣義相對(duì)論預(yù)言下的引力波來自于宇宙間帶有強(qiáng)引力場(chǎng)的天文學(xué)或宇宙學(xué)波源，近半個(gè)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(chǎng)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(cè)意義不僅在于對(duì)廣義相對(duì)論的直接驗(yàn)證，更在于它能夠提供一個(gè)觀測(cè)宇宙的新途徑，就像觀測(cè)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(cè)天文學(xué)完全依靠對(duì)電磁輻射的探測(cè)，而引力波天文學(xué)的出現(xiàn)則標(biāo)志著觀測(cè)手段已經(jīng)開始超越電磁相互作用的范疇，引力波觀測(cè)將揭示關(guān)于恒星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。簡(jiǎn)介簡(jiǎn)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(cè)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)而言是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。自1915年愛因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論，在理論上預(yù)言引力波的存在以來，之后一世紀(jì)時(shí)間，引力波都未能在實(shí)驗(yàn)上直接被檢測(cè)到。因此從這個(gè)意義上說，真正實(shí)現(xiàn)通過引力波的觀測(cè)來從實(shí)驗(yàn)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(shí)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(duì)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(tái)（LIGO）團(tuán)隊(duì)于華盛頓舉行的一場(chǎng)會(huì)上宣布人類對(duì)于引力波的首個(gè)直接探測(cè)結(jié)果。所探測(cè)到的引力波來源于雙黑洞并合。兩個(gè)黑洞分別估計(jì)為29及36倍太陽質(zhì)量，這次探測(cè)為物理學(xué)家史上首次由地面直接成功探測(cè)引力波。

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

特點(diǎn)特點(diǎn)與基于電磁波觀測(cè)的傳統(tǒng)觀測(cè)天文學(xué)不同，引力波天文學(xué)具有如下特點(diǎn)：研究對(duì)象研究對(duì)象引力波天文學(xué)這個(gè)名稱現(xiàn)在已經(jīng)脫離了單純意義上的觀測(cè)天文學(xué)范疇，粗略來講引力波天文學(xué)涉及以廣義相對(duì)論為基礎(chǔ)的理論和實(shí)驗(yàn)引力波天文學(xué)這個(gè)名稱現(xiàn)在已經(jīng)脫離了單純意義上的觀測(cè)天文學(xué)范疇，粗略來講引力波天文學(xué)涉及以廣義相對(duì)論為基礎(chǔ)的理論和實(shí)驗(yàn)天體物理學(xué)、激光物理、數(shù)字信號(hào)處理、控制論、概率統(tǒng)計(jì)等多方面的領(lǐng)域。伯納德·舒爾茨曾列出成功觀測(cè)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(gè)方向。引力波源引力波源研究對(duì)象為第2條和第5條，主要研究被認(rèn)為可觀測(cè)引力波源的物理性質(zhì)，從理論上計(jì)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(shí)空范圍內(nèi)被觀測(cè)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(gè)數(shù)量級(jí)；而引力波譜通常最高為赫茲，也向下延伸20個(gè)數(shù)量級(jí)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?jī)审w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(duì)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(duì)論力學(xué)中，兩體問題只能得到近似解，這是因?yàn)樵谔幚磔椛鋱?chǎng)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(chǎng)的相對(duì)論問題。具體做法是對(duì)微小的牛頓力學(xué)量加以展開，可以選擇展開的項(xiàng)有速度或者牛頓引力勢(shì)這實(shí)則是對(duì)相對(duì)論一種弱場(chǎng)低速的近似。這兩個(gè)量是相的，因?yàn)閷?duì)自引力系統(tǒng)，甚至相對(duì)論性引力系統(tǒng)而言。

當(dāng)前對(duì)引力波的波形的預(yù)測(cè)有解析和數(shù)值計(jì)算的方法：背景背景1916年，愛因斯坦在其著名的廣義相對(duì)論中的引力場(chǎng)方程展示了，在平坦真空背景下忽略自引力的引力波動(dòng)行為，也就是說引力——這種時(shí)空本身的性質(zhì)，其擾動(dòng)可以在時(shí)空中以光速傳播。愛因斯坦廣義相對(duì)論的成功在于它的預(yù)言大多得到了觀測(cè)的很好地證實(shí)，這其中包括三大經(jīng)典檢驗(yàn)：1）水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)；2）光線在引力場(chǎng)中的偏折；3）引力紅移效應(yīng)。但是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家永遠(yuǎn)不會(huì)停止檢驗(yàn)一個(gè)理論的腳步，廣義相對(duì)論也繼續(xù)不停地經(jīng)受著各種實(shí)驗(yàn)和天文觀測(cè)的考驗(yàn)，甚至同一實(shí)驗(yàn)人們也在不停地想方設(shè)法提高精度。同時(shí)理論家們?yōu)榇艘膊粩嗟貙?duì)廣義相對(duì)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(duì)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(shí)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(yàn)廣義相對(duì)論的浪潮中，RusselHulse和JosephTaylor對(duì)脈沖雙星PSR1913+16的觀測(cè)是尤為著名的一個(gè)經(jīng)典。他們對(duì)于雙星繞轉(zhuǎn)軌道的監(jiān)測(cè)結(jié)果精確地與廣義相對(duì)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(xiàng)工作也因此獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。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(cè)引力波的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)也極大刺激了整個(gè)科學(xué)界對(duì)于引力波探測(cè)的熱情。盡管他前后兩次宣稱探測(cè)到了引力波信號(hào)的實(shí)驗(yàn)備受爭(zhēng)議，也都沒有得到來自同行的認(rèn)可。引力波探測(cè)器引力波探測(cè)器研究對(duì)象主要研究引力波探測(cè)器的設(shè)計(jì)和構(gòu)造原理，噪聲分析以及探測(cè)器對(duì)引力波的響應(yīng)。現(xiàn)今一般的激光干涉探測(cè)器的基本構(gòu)造是一個(gè)干涉測(cè)量系統(tǒng)，在探測(cè)器的設(shè)計(jì)中需要考慮如何正確測(cè)量到干涉信號(hào)，以及如何測(cè)量到有用的引力波信號(hào)。為使引力波探測(cè)器能夠達(dá)到探測(cè)各種引力波源的要求，探測(cè)器的靈敏度是決定因素。由于可觀測(cè)的引力輻射數(shù)量級(jí)在左右，粗略來說探測(cè)器的靈敏度應(yīng)該相當(dāng)于或優(yōu)于這個(gè)數(shù)量級(jí)。

但在實(shí)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(cè)器靈敏度提升的主要原因。每一臺(tái)引力波探測(cè)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(jí)遠(yuǎn)超過探測(cè)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(hào)就會(huì)淹沒在噪聲的海洋中無法識(shí)別。如何降噪是引力波探測(cè)器設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，在實(shí)際應(yīng)用中探測(cè)器有各種降噪手段，包括被廣泛采用的自動(dòng)控制的方法，通過反饋信號(hào)將參數(shù)穩(wěn)定在規(guī)定的目標(biāo)范圍內(nèi)。例如對(duì)激光干涉空間天線（LISA）而言，主要的噪聲源來自探測(cè)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(shí)間延遲干涉測(cè)量術(shù)等。

而引力波信號(hào)傳播到探測(cè)器時(shí)，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(huì)發(fā)生改變；加上坐標(biāo)變換、探測(cè)器本身對(duì)引力波存在特定的響應(yīng)模式（即天線樣式，AntennaPattern）等因素，探測(cè)器得到的引力波信號(hào)和其在TT規(guī)范下的形式會(huì)很不相同，這也是引力波探測(cè)器的研究?jī)?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(duì)開始把a(bǔ)LIGO轉(zhuǎn)換為一個(gè)常用的引力波探測(cè)設(shè)備，當(dāng)引力波探測(cè)成為常態(tài)之后，就會(huì)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(cè)的先行者試圖申請(qǐng)美國(guó)自然科學(xué)基金撥款，建造激光干涉引力波天文臺(tái)時(shí)，最主要的反對(duì)聲就來自于天文學(xué)家。當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家們認(rèn)為建造這樣耗資巨大的探測(cè)裝置對(duì)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(dòng)的則是此時(shí)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(cè)宇宙的天文學(xué)家們多出了一個(gè)截然不同的宇宙觀測(cè)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(cè)宇宙的新方法，對(duì)于同一個(gè)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(cè)，當(dāng)引力波天文臺(tái)探測(cè)到一個(gè)信號(hào)之后，可以馬上提醒其他類型的天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)一個(gè)特定區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)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(cè)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。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