Section 02 引力波探测装置的发展

1.引力波的探测原理

引力波产生之后，经过之处会发生时空扭曲现象，目前的引力波主要探测原理是测量引力波通过时对两个相隔遥远位置之间距离的影响。而具体的实现方法是通过建造干涉仪，利用光的干涉原理，观察引力波造成的干涉波形图样。在引力波的影响下，会出现微小的光波波形变化，这时光探测器就能感应到干涉条纹的变化。干涉条纹最理想的状态就是从无到有，原本是完全互相抵消的，如果被引力波影响，就会形成干涉波形图样。这个想法早在1962年，由俄国物理学者麦可·葛特森希坦与弗拉基斯拉夫·普斯投沃特在其发表的论文中提出，之后弗拉基米尔·布拉金斯基、约瑟·韦伯与莱纳·魏斯等人也提出类似的想法。

2.引力波干涉仪的建造

1971年，约瑟·韦伯的学生罗伯特·弗尔沃德建成臂长8.5m的引力波干涉仪雏形，经过150小时的探测，遗憾的是弗尔沃德并未探测到引力波。

1984年，美国加州理工学院与麻省理工学院合作设计与建造了激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，LIGO）。1999年，在美国路易斯安那州的利文斯顿（Livingston）与华盛顿州的汉福德（Hanford）分别建成相同的探测器，两地相距3000多千米，这样一来，就可以通过超级计算机比对两者采集到的数据，并通过算法来排除许多干扰信息。2002年正式进行第一次引力波探测，2010年结束数据搜集。在这段时间内，并未探测到引力波，但是整个团队获得了很多宝贵经验，探测灵敏度也有所改善。

2000年世界上先后建成多座引力波干涉仪探测设施，如日本的TAMA300、德国的GEO600、美国的LIGO和意大利的Virgo等。在2002年至2011年，这些探测设施进行了联合观测，但最终都没有取得有价值的探测结果。2010年至2015年，LIGO又经历了大幅度改良，升级后的探测器被称为“先进LIGO”（aLIGO），于2015年再次开启运作，并于2015年9月14日与Virgo等引力波探测器合作成功探测到引力波。

因此，引力波的探测得益于探测装置的不断改进和其越来越高的灵敏度。为了能够获得更清晰的干涉波形，需要激光的强度足够大，也就是功率要足够大，那么增强激光功率的方法，就是让激光通过许多镜面进行多次来回反射。

LIGO的反射镜片由纯二氧化硅打造，有着超乎想象的反射率。这些反射镜片每300万个光子射入，只有1个光子会被留下，其余光子全部被反射掉。另外，LIGO本身的激光臂长4千米，但这对于精度而言还远远不够，激光要经过400次反射，才能达到最终的强大功率，也就是说，激光臂经过反射后，最终长度可以达到1600千米，通过这样惊人的长度才能实现最终的精准率。

3.引力波探测难度相当大

原则上，引力波在各个频率上都有，不过非常低频的引力波是不可能被探测到的，在非常高频的区域，也没有可靠的引力波源。

大质量物体运动时所产生明显的引力波变化会以光速像波一样向外传播，在观测者处的引力波强度和与波源间的距离成反比。根据预测，螺旋形的中子双星系统由于质量高、加速度高，因此在合并时会发射出强大的引力波。但是因为天文距离尺度之大，就算是最激烈的事件所产生的引力波，在到达地球后效应已变得极低，其应变的数量级低于10-21，只有氢原子的100亿分之一大小。比如，引力波信号GW150914在最后的剧烈合并阶段所产生的引力波，在穿过13亿光年之后到达地球，仅仅将LIGO的4千米臂长改变了一个质子直径的万分之一，即相当于将太阳系到我们最近恒星之间的距离改变了一个头发丝的距离。这种极其微小的变化，如果不借用异常精密的探测器，我们根本是探测不到的。这也是为什么早在1916年爱因斯坦就预测引力波的存在，却一直到100年后的2015年才首次探测到引力波的原因。

4.引力波探测大事件

（1）双黑洞并合探测

2015年9月14日，LIGO完成了人类历史上第一次引力波探测。一个36太阳质量的黑洞与一个29太阳质量的黑洞碰撞，然后并合为一个62太阳质量的黑洞，失去的3个太阳质量转化为引力波的能量。自1916年至2015年首次直接探测到引力波，人类已寻找了它100年。

2015年12月26日、2017年1月4日、2017年8月14日LIGO又先后三次探测到黑洞并合产生的引力波。

（2）双中子星并合探测

2017年10月16日，包括中国南京紫金山天文台和美国宇航局在内，全球数十家天文研究机构的科学家宣布人类第一次探测到双中子星并合引力波，并同时“看到”该宇宙事件发出的电磁信号。这是人类成功探测到的第一例双中子星引力波事件，也是人类首次窥见引力波源头的奥秘。

《自然》（Nature）文章称，与此前LIGO探测到的双黑洞并合引力波不同，双中子星并合不仅产生引力波，还产生电磁波，因此双中子星并合可以被引力波探测设备“听”到，还可以被天文望远镜“看”到。此外，双黑洞并合引力波一般持续1秒甚至更短时间，而双中子星并合引力波可持续1分钟之久。