面对引力波，人类需要“兼听则明”( 二 ) _信息快讯

解放耳朵，打开听觉，那我们将听到树叶的沙沙作响，小动物的窸窸窣窣，还有小鸟各式各样的鸣叫。也许还有我们根本看不到的猛兽，在森林深处低吼。这不是更加新鲜刺激吗？
这就是我们探测引力波的目的。
04
为什么等了一百年？
早在1916年，爱因斯坦就预言了引力波的存在。但等到2015年，我们的引力波探测器才找到了确凿的信号。为什么探测引力波那么难，要等一百年呢？
主要是因为产生引力波的天体都非常遥远。所以引力波到达地球的时候已经衰减得相当厉害了，它的振动幅度只有最初的10 ，也就是0.000000000000000000001 ，小数点后有20个零！如果要按照水面小虫子的方法来探测引力波，就算我们能在地球上造一根上千公里的尺子（大致相当于北京到上海的距离），引力波经过时，尺子的长度变化也就一个原子核的大小（1微米的十亿分之一）。要建造这种高精度的尺子，难度可想而知。
不可思议的是，科学家和工程师竟然实现了如此尺度的观测：他们真的造了一根等同于上千公里的尺子，用激光干涉的方法，量出了一个原子核大小的长度变化。
目前地球上有四台探测器能够探测量级为10的引力波。虽然每台探测器自带的“尺子”（叫做“激光干涉臂”）只有3到4公里，但通过让激光折返跑几百次，我们可以把尺子的有效长度增加到上千公里。

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目前地面上利用激光干涉原理探测引力波的仪器包括美国的激光干涉引力波天文台（简称LIGO）的两台探测器（左上和右下），建造在意大利的室女座（Virgo）激光干涉引力波探测器（左下），以及2020年刚上线的日本神冈引力波探测器（KAGRA ，它建造于地下矿井中，以减小地面震动的干扰，右上）。图片来源：LIGO-Virgo-KAGRA Collaboration
05
LIGO究竟探测到了什么？
2015年，差不多是爱因斯坦提出引力波一百年后， LIGO终于率先探测到了引力波信号[1] 。在9月15日这一天， LIGO两台探测器的激光干涉臂几乎同时抖了几下。在排除了其他所有的可能性之后，剩下唯一的选项就是引力波。

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2015年9月15日，在美国华盛顿州（左）和路易斯安那州（右）的两台LIGO探测器都探听到了同样一个信号：激光干涉臂在不到0.15秒的时间内抖了几下（第一行），并且抖动的幅度和频率都随着时间急剧升高（最底下一行）。这种信号与引力波模型预言的结果（第一行与第二行）几乎严丝合缝，两者几乎没有差异（第三行为残差，波动越小证明差异越小）。图片来源：LIGO/Virgo Science Collaboration
我们真的探测到引力波了吗？让我们仔细看看这个信号。在不到0.15秒的时间内， LIGO探测器抖动的幅度和频率都随时间急剧增加。这种现象与两个黑洞的合并过程基本符合。因为：
（1）引力波会带走能量，所以相互绕转的两个黑洞不可避免地要越绕越近、越绕越快。这就解释了为什么频率会升高。
（2）随着黑洞轨道的缩小，引力波辐射也变得更强，这也解释了为什么振幅会越来越大。上面两种特征很接近鸟类鸣叫的特点，所以这种引力波信号被叫做“啁啾”（chirp）。

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