地面引力波天文臺LIGO

引力波是愛因斯坦在廣義相對論中提出的，即物體加速運(yùn)動時給宇宙時空帶來的擾動。通俗地說，可以把它想象成水面上物體運(yùn)動時產(chǎn)生的水波。但是，只有非常大的天體才會發(fā)出較容易探測的引力波，如超新星爆發(fā)或兩個黑洞相撞時，而這種情況非常罕見。因此，相對論提出一百多年來，其“水星進(jìn)動”和“光線偏轉(zhuǎn)”等重要預(yù)言被一一證實，而引力波卻始終未被直接探測到。

引力波有宇宙初生時的“啼哭”之稱，它自宇宙誕生后便一直四散傳播，現(xiàn)在可探測到的余響能量非常小，被稱為“隨機(jī)引力波背景”。在“激光干涉引力波觀測臺”中，科學(xué)家便是努力在長達(dá)4公里的激光光線中，尋找“隨機(jī)引力波背景”帶來的比一個原子核還小的擾動。

引力波以波動形式和有限速度傳播的引力場。按照廣義相對論，加速運(yùn)動的質(zhì)量會產(chǎn)生引力波。

引力波的主要性質(zhì)是：它是橫波，在遠(yuǎn)源處為平面波；有兩個獨立的偏振態(tài)；攜帶能量；在真空中以光速傳播等。引力波攜帶能量，應(yīng)可被探測到 。但引力波的強(qiáng)度很弱，而且，物質(zhì)對引力波的吸收效率極低，直接探測引力波極為困難。曾有人宣稱在實驗室里探測到了引力波，但未得到公認(rèn)。天文學(xué)家通過觀測雙星軌道參數(shù)的變化來間接驗證引力波的存在 。例如，雙星體系公轉(zhuǎn)、中子星自轉(zhuǎn)、超新星爆發(fā)，及理論預(yù)言的黑洞的形成、碰撞和捕獲物質(zhì)等過程，都能輻射較強(qiáng)的引力波。我們所預(yù)期在地球上可觀測到的最強(qiáng)引力波會來自很遠(yuǎn)且古老的事件，在這事件中大量的能量發(fā)生劇烈移動（例子包括兩顆中子星的對撞，或兩個極重的黑洞對撞）。這樣的波動會造成地球上各處相對距離的變動，但這些變動的數(shù)量級應(yīng)該頂多只有10^-21。以LIGO引力波偵測器的雙臂而言，這樣的變化小于一顆質(zhì)子直徑的千分之一。

偵測

雖然引力輻射并未被清清楚楚地“直接”測到，然而已有顯著的“間接”證據(jù)支持它的存在。最著名的是對于脈沖星（或稱波霎）雙星系統(tǒng)PSR1913 16的觀測。這系統(tǒng)被認(rèn)為具有兩顆中子星，以極其緊密而快速的模式互相環(huán)繞對方。其并且呈現(xiàn)了漸進(jìn)式的旋近(in-spiral)，旋近時率恰好是廣義相對論所預(yù)期的值。對于這樣的觀測，最簡單(也幾乎是廣為接受)的解釋為：廣義相對論一定是對這種系統(tǒng)的重力輻射給出了準(zhǔn)確的說明才得以如此。泰勒和赫爾斯因為這些成就共同獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎。

1959年，美國馬里蘭大學(xué)教授韋伯發(fā)表了證實引力波存在的消息，這引起了世界物理學(xué)界一陣狂熱的激動。事情是這樣的，韋伯等人制造了6臺引力波檢驗器，分別放在不同地點進(jìn)行長期的檢波記載。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在各臺檢波器上都記錄到一種相同的、不規(guī)則的“擾動”，并證明它并不是由聲學(xué)振動、地震、電磁干擾或宇宙線干擾等引起的，因此，他們認(rèn)為“不能排除這就是引力波”。之后，許多國家的科學(xué)家采用各種方法企圖證實宇宙深處的同樣“來客”，但終未得到肯定的結(jié)果，于是激動之余，人們便只能嘆息罷了。

射電天文學(xué)的蓬勃發(fā)展為物理學(xué)家們新的探測途徑。射電望遠(yuǎn)鏡的探測本領(lǐng)比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)得多，美國天文物理學(xué)家泰勒等人在1974年，靠著射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一個雙星體系——脈沖射電源（PSR1913 16）。按照廣義相對論計算，雙星互相繞轉(zhuǎn)發(fā)出引力輻射，們的軌道周期就會因此而變短，（PSR1913 16）的變化率為-2.6*10^ -12。而在1980年，他們也是采用精密的射電儀器，由實驗行到觀察值為-（3.2±0.01×10 ^-12,與理論計算值在誤差范圍內(nèi)正好符合。這可以說是引力波的第一個定量證據(jù)。上述消息傳開，引起物理學(xué)界的極大震動。科學(xué)家們信心倍增，為歡迎引力輻射這位宇宙“嬌客”將開展更為廣泛的探索研究。因為對引力波的探測不僅可以進(jìn)一步驗證廣義相對論的正確性，而且將為人類展現(xiàn)出一幅全新的物質(zhì)世界圖景，茫茫宇宙，只要有物質(zhì)，到處有引力輻射。

引力波激光干涉儀

LIGO和GEO 600是用來測量引力波即時空結(jié)構(gòu)中的波動的工具。引力波非常難以測量，因為當(dāng)他們到達(dá)地球的時候已經(jīng)變得非常弱了。

LIGO和GEO 600通過測量兩條激光束相遇的時候所形成的干涉圖樣的變化來探測引力波。這些圖樣依賴于激光束的傳播距離，當(dāng)引力波穿過時激光束的傳播距離會相應(yīng)變化。

這種稱之為激光干涉計的探測器的靈敏度，是與激光傳播的距離成比例的。因為探測器需要尋找的是很微弱的信號，所以需要LIGO和GEO的尺寸相當(dāng)大。

引力波觀測激光干涉儀 (LIGO)

位于美國的LIGO觀測所擁有兩套干涉儀，一套安放在路易斯安娜州的李文斯頓，另一套在華盛頓州的漢福。在李文斯頓的干涉儀有一對封閉在 1.2 米直徑的真空管中的4公里長的臂，而在漢福的干涉儀則稍小，只有一對2公里長的臂。

這二套 LIGO 干涉儀在一起工作構(gòu)成一個觀測所。這是因為激光強(qiáng)度的微小變化、微弱地震和其它干擾都可能看起來像引力波信號，如果是此類干擾信號，其記錄將只出現(xiàn)在一臺干涉儀中，而真正的引力波信號則會被兩臺干涉儀同時記錄。所以，科學(xué)家可以對二個地點所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得知哪個信號是噪聲。

LIGO從2003年開始收集數(shù)據(jù)。它是目前全世界最大的、靈敏度最高的引力波探測所。一系列的升級計劃將更進(jìn)一步提高其靈敏度。

引力波“出沒范圍”被首次鎖定

這個科研團(tuán)隊利用位于美國的“激光干涉引力波觀測臺”，成功地鎖定了引力波的“出沒范圍”，顯示其能量值比原有推測值要小很多。他們預(yù)計，目前探測儀器的靈敏度到2014年可提高1000倍，到時極有可能直接觀測到引力波。

研究人員說，他們的研究成果是尋找引力波過程中“第一次有意義的實驗進(jìn)展”，如果真能在近期探測到引力波，將極大推動對宇宙誕生和時空本質(zhì)的理解。正緣于此，全球科學(xué)家都積極投入到這項工作中。在《自然》雜志發(fā)表的這篇論文中，作者列表不是通常的幾個或十幾個人名，而是遍布全球的79所大學(xué)、實驗室和研究機(jī)構(gòu)。