引力波——观测宇宙的新窗口
人类迄今对宇宙观测主要通过四种方式：电磁辐射、宇宙射线、中微子和引力波 。2015年9月 advanced LIGO 激光干涉仪实现了引力波的首次直接探测，开启了引力波观测宇宙的新窗口 [1]。5年前的今天，首例双中子星并合的引力波信号——GW170817被成功捕获，标志着多信使天文学进入新阶段。
01
先行者的探索
在1916年，爱因斯坦在完成广义相对论引力场方程之后，随即预言了引力波。但是同时也认为引力波的强度如此之小，或许人类永远无法探测到。值得一提的是在爱因斯坦之前，奥利弗·黑维赛 (Oliver Heaviside) 和亨利·庞加莱 (Henri Poincaré) 都有讨论过引力波的存在的可能性 [2]。
尽管爱因斯坦在20世纪初就预言了引力波，但是直到1957年在美国北卡罗来纳州的Chapel Hill会议上，科学家对于引力波的物理属性认识才逐渐清晰。对于引力波研究，这是一个具有里程碑意义的会议，汇集了惠勒(Wheeler)、费曼(Feynman)、施温格(Schwinger)等著名物理学家，为期六天的会议深入探讨了引力物理的诸多问题，其中一个重要议题就是引力波是否具有实际物理效应，更为具体的一点就是引力波是否携带能量？费曼提出了理想实验“粘珠实验 (Sticky bead argument)”[3]：
“假定两个珠子能够在一根棒上自由滑动，但具有轻微的摩擦，当引力波经过该实验装置时，棒的长度由于材质间的原子作用力保持固定，而珠子受到引力波的作用在棒上摩擦滑动，从而产生热能”。
这个理想实验解释了引力波携带能量的属性。(这次会议也被称为GR1会议，该系列会议每3年一次，2022年的GR23会议在中国举办)。
“粘珠实验”示意图 [4]
在会议之后，与会的约瑟夫·韦伯 (Joseph Weber) 开展了引力波探测器的的设计，他所设计的棒状探测器后来被称为 Weber bars。他将两个棒状探测器分别布置于马里兰大学(University of Maryland) 和芝加哥附近的阿尔贡国家实验室(Argonne National Laboratory)，两个探测器相距约 950 km 用于排除局部环境噪声对探测器的影响。
1969年，韦伯发表了一篇PRL文章宣布探测到了引力波信号，并在随后实验中探测到了多个源自银河系中心方向的引力波信号。之后有多个国际团组跟进同类实验，然而并未探测到同类信号，同时，理论天体物理学家的计算也对Weber的探测率进行了否定。尽管此后学界已普遍不认为韦伯探测到了引力波信号，但作为探测引力波的先驱，让学界重新审视引力波探测的方法。
Joseph Weber与其设计的棒状引力波探测器丨图源：Special Collections and University Archives, University of Maryland Libraries
02
引力波的间接观测
1974年，天文学家 Russell A. Hulse 和 Joseph H. Taylor 发现了脉冲双星系统 PSR B1913+16，并通过脉冲观测发现了双星相互绕转过程中的轨道周期变化。根据广义相对论，双星绕转将产生引力辐射，引力波带走系统能量将导致其绕转周期的缩短，连续观测结果与广义相对论的理论预言相互吻合。该观测从侧面证实了引力波的存在，也验证了引力波携带能量。Hulse 和 Taylor 两人因发现新类型的脉冲星系统、开辟了研究引力的新途径而获得1993年的诺贝尔物理学奖。
左：脉冲双星系统示意图(Credit: Michael Kramer)；右：PSR B1913+16双星系统轨道周期变化与广义相对论理论预测对比图( Weisberg and Huang 2016)。
03
激光干涉引力波探测器
20世纪60年代到70年代，激光干涉仪作为更具潜力的引力波探测装置，美国、前苏联、德国、英国、法国和意大利纷纷对其相关技术展开了广泛的研究，并形成了后来的多个激光干涉引力波探测器。
〇 LIGO 探测器： 目前包含两个臂长为 4 km 的激光干涉仪，分别位于美国的华盛顿州 Hanford 和路易斯安那州的 Livingston (在建的第三个探测器位于印度)，两个探测器相距 3000 km (光程 10 毫秒)。1990年获得美国国家科学基金会(NSF)支持，initial LIGO 探测器到2002年完成建设、设备安装和工程调试，随后进行引力波信号搜寻工作，观测持续到2010年，但并未探测到引力波信号。在2010-2014年 initial LIGO 被升级到 advanced LIGO，通过增加干涉仪光学镜质量、改进隔震系统和悬挂系统等，在 2015 年升级完成并开始运行，在观测初期实现引力波的首次直接探测 [5,6]。
〇 Virgo 探测器： 其名字源自于探测室女座星系团范围内的引力波事件，随着灵敏度的提升该名字已失去最初的意义。Virgo 探测器最初由法国CNRS和意大利INFN联合建立，两个机构分别于1993年和1994年先后批复了该项目，探测器臂长为 3 km，位于意大利Pisa郊区的Cascina。initial Virgo的建成于2003年，之后持续观测到2011年，之后对其进行advanced Virgo升级。但由于多种因素的影响，直到2017年，advanced Virgo才与两个 advanced LIGO 探测器联合观测。尽管Virgo探测器错过了首例双黑洞并合的引力波信号，但没有错失首例双中子星并合的引力波信号 [7]。
〇 GEO600 探测器： 是由德国和英国联合建立的引力波探测器，探测器最初的设计目标是在德国北部的Harz山建立臂长为 3 km 的地下激光干涉仪，然而在1989年，项目申请并未获得资金支持。1994年，探测器方案变为在德国汉诺威(Hannover)郊区建立一个臂长为 600 m 激光干涉仪，并于1995年开工建设，2002年开始进行观测。受限于硬件条件，GEO600的灵敏度不及 LIGO 和 Virgo 探测器，但由其所研发和测试的相关技术被广泛应用于 LIGO 和 Virgo [8]。
〇 KAGRA探测器： 是日本的地下激光干涉引力波探测器，位于著名的神冈中微子探测器附近，臂长 3 km。相较于前面三个引力波探测器，KAGRA探测器起步相对较晚，在2010年获批，在2019年初步完成建设，目前探测灵敏度相较于LIGO和Virgo较低。不同于其他已建成的激光干涉仪，KAGRA采用低温技术以降低热噪声影响，该技术可能为未来灵敏度的改进带来新的技术 [9]。
四个引力波探测器鸟瞰图: LIGO-Hanford (左上)，LIGO-Livingston (右上)，GEO600 (左下) 和 Virgo (右下)。丨图源：LIGO/GEO/Virgo Collaboration
04
首例引力波直接探测—GW150914
2015年9月14日，advanced LIGO 的两个探测器同时观测到一个引力波信号，信号由两个双黑洞并合所产生，其质量分别为36个太阳质量和29个太阳质量，距离地球大约 410 Mpc，两者并合后形成一个62倍太阳质量的黑洞，其中有3个太阳质量的能量被引力波信号带走。得益于两个探测器相距 3000 km，通过分析信号到达不同探测器的时间，可以得到得到波源的空间方位，其原理如下图所示。
左：引力波探测器网络空间定位原理；右：及LIGO-Virgo部分探测事件的空间定位示意图丨图源：LIGO/Virgo/NASA/L. Singer。
当两个探测器同时进行观测时，根据到达时间可以将其定位在一条条带上，条带的宽度正比于对到达时间测量的精确度。当有多个探测器同时进行观测时，则可以对波源进行准确定位，以便于进行后续的电磁对应体观测，这也是建立引力波探测器网络的一个重要目的。
LIGO两个探测器所探测的GW150914信号 [1]
GW150914的探测结果经过5个月左右的仔细分析，于2016年2月11日对外发布。2017年 Rainer Weiss, Kip Thorne 和 Barry Barish 三位因为对引力波探测的决定性贡献，被授予2017年的诺贝尔物理学奖。GW150914的探测标志着引力波天文学的正式开启。
05
首例双中子星并合引力波信号探测—GW170817
2017年8月17日 LIGO 和 Virgo 同时观测到一个源自于双中子星并合的引力波信号—GW170817 [10]。尽管当时的 Virgo 的灵敏度较差，但是依然能够协助 LIGO 进行波源空间定位。与此同时，并合发生 1.7s 后所产生的短伽马射线暴也被Fermi卫星上GBM所观测到，其他波段的电磁对应体也在后续的观测中被发现 [11]。GW170817的探测及其电磁对应体的观测标志着多信使天文学进入新阶段。
LIGO-Virgo探测器所探测的GW170817信号时频图 [10]。
06
多波段引力波天文学
以LIGO为代表的地面激光干涉引力波探测器，致力于探测器 10 Hz — 1000 Hz 频段的高频引力波，其代表性波源包括恒星级致密双星系统的并合、旋转中子星、超新星爆发，以及随机引力波信号等。其他波段的引力波探测也在积极开展 [12]：
引力波波谱及其对应波源和探测方案丨图源：NASA Goddard Space Flight Center
〇 低频引力波 (10-4 Hz—1 Hz)： 目前探测低频引力波的方案基于十万至百万公里的空间激光干涉仪，代表方案包括欧洲的LISA、中国的太极计划和天琴计划。典型波源包括大质量黑洞并合、极端质量比旋近、恒星级致密双星的早期旋进和随机引力波信号。
〇 甚低频引力波 (10-9 Hz—10-6 Hz)： 探测方案基于通过分析不同方向脉冲星的信号到达时间，构成脉冲星计时阵列 (PTA, pulsar timing array) 来探测引力波。目前国际上的相关组织团队包括：北美的NANOGrav，欧洲的EPTA，澳洲的PPTA，中国的CPTA等。典型波源包括超大质量黑洞并合和随机引力波信号。
〇 极低频引力波 (10-18 Hz—10-15 Hz ): 该频段的引力波可能产生于宇宙早期的各种物理过程，目前的通过观测宇宙微波背景辐射的偏振来进行探测，代表的观测实验包括南极的 BICEP 和中国西藏的阿里计划等。
引力波作为人类认识宇宙的新窗口，未来多波段引力波的观测，以及多信使的观测，将极大推进我们对于宇宙中极端条件下的天体物理过程的理解。
参考文献：
1. LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration, Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016).
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_wave.
3. https://en.wikipedia.org/wiki/Sticky_bead_argument.
4. Jorge L. Cervantes-Cota, Salvador Galindo-Uribarri and George F. Smoot, A Brief History of Gravitational Waves, Universe, 2016, 2, 22
5. https://www.ligo.caltech.edu/system/media_files/binaries/313/original/LIGOHistory.pdf,
6. https://www.ligo.caltech.edu/page/about-aligo
7. https://www.virgo-gw.eu, https://en.wikipedia.org/wiki/Virgo_interferometer
8. https://www.geo600.org, https://en.wikipedia.org/wiki/GEO600
9. https://en.wikipedia.org/wiki/KAGRA
10. LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration, GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral, Phys. Rev. Lett. 119, 161101 (2017).
11. LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, Fermi GBM group et al, Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger, Astrophys. J. Lett. 848, L12 (2017).
12. Chiang-Mei Chen, James M. Nester, Wei-Tou Ni, A brief history of gravitational wave research, Chinese Journal of Physics (2017) 55 142–169
来源：中国科学院紫金山天文台
欧洲空间引力波计划LISA：2034年发射，经费10亿欧
如无意外，2034年人类将把一个放大60万倍的LIGO送上太空，在地球噪音之外聆听引力波的律动。当地时间1月22日，欧洲空间局宣布空间天线激光干涉仪（LISA）完美通过了任务定义审核。
“我很高兴LISA这次‘考’得很好，现在我们准备进入下个阶段了。2018年的日程满是考试、调研和技术升级。”LISA联盟领导、德国爱因斯坦研究所所长Karsten Danzman说道。
放大60万倍的LIGO
引力波是爱因斯坦广义相对论中的重要推论。时间和空间在质量面前扭曲，时空在伸展和压缩的过程中，会产生振动传播开来，这些振动就是引力波。
2016年2月16日，在爱因斯坦提出广义相对论的百年纪念日上，激光干涉引力波观测台（LIGO）宣布成功探测到双黑洞并合产生的引力波，成为近年来当之无愧的头号科学事件。领导LIGO的三位美国物理学家也无悬念地捧走了2017年的诺贝尔奖。
不过，地面上的LIGO只能“听”到持续数毫秒的引力波，能探测到的引力波源也十分有限。如果能转战太空，脱离地球噪音的干扰，科学家们就能听到更清晰的时空律动。
空间项目一向价格不菲，经费日趋拮据的美国国家航空航天局（NASA）放弃独立的空间引力波计划，转而寻求与欧空局合作，提出了LISA计划。
LIGO的本质是两臂等长4公里的L型真空管，引力波经过会微小地扭曲真空管中的时空，使两臂各自发射的激光出现光程差。
而LISA设计由三颗卫星组成边长250万公里的等边三角形星座，引力波经过使得三边出现小于原子直径的变化，能利用激光干涉仪探测到。可以说，LISA的基本原理仿照了LIGO，只是探测臂放大了60万倍。
LISA探路者
2011年，NASA宣布因经费问题退出联合项目，只能从人员及技术方面进行配合。欧空局开始主导LISA。
耗费数亿美元的LIGO项目从雏形到成功，经历了40多年的波折。面对经费更高、难度更大的空间引力波探测，欧空局步步为营，推进得十分谨慎。
2015年，欧空局发射技术验证卫星“LISA探路者”，对两个距离38厘米的载荷在自由落体中的运动进行测量，等于是将LISA数百万公里的激光干涉距离缩短到了38厘米。实验的降噪精度超过了目标精度的5倍，达到LISA所需的25%。
2017年，LISA入选欧空局“宇宙观十年计划（2015-2025）”中最高的L级任务，经费上限10.5亿欧元。
此后，LISA还要通过欧空局的层层审核，方能提上发射日程。这次的任务审核，主要是对项目整体的任务设计可行性进行考察，确认LISA能充分实现科学目标；现阶段技术水平能满足任务要求；确认卫星、地面段载荷和发射器之间的相互配合。
中国的“太极”和“天琴”
引力波天文学时代已经开启。LIGO创始人之一、2017年诺贝尔物理学奖得主雷纳·韦斯（Rainer Weiss）曾介绍道，到2030年左右，人类会有包括地面激光干涉仪和空间激光干涉仪在内的四个引力波窗口，探测目标各有侧重。
LISA将负责探测0.1兆赫到100兆赫的低频引力波，振荡时间从数秒到数小时不等。产生这些引力波的源头包括数百万倍太阳质量的超大黑洞、银河系中的双星系统和宇宙线等。
LIGO探测到引力波后，中国迅速作出相关部署，科技部成立了引力波研究专家委员会。中国的空间引力波探测项目现有两个方案，一个是由中科院力学所和国科大领导的“太极计划”，另一个则是由中山大学主导的“天琴计划”。
2017年11月，中国科学院大学副校长吴岳良提出，“太极计划”将于2033年发射卫星组。
“天琴计划”山洞实验室则于2017年12月在珠海动工，相关基础设置项目建设进入高潮。“天琴计划”总投资约150亿人民币，预期在15至20年内发射。
可以看出，“太极计划”、“天琴计划”的发射时间均与LISA接近。
韦斯曾在接受澎湃新闻（www.thepaper.cn）表示，他并不确定中国上马独立的空间引力波项目是否明智，他更希望中国能直接与LISA合作。
相比起来，韦斯更为看重中科院高能所牵头、与美国BICEP团队合作的原初引力波探测项目。该项目正在海波5100米的西藏阿里建设，一期望远镜将在2020年开始观测。
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