爱因斯坦都不敢想象, 我们真的探测到引力波｜深度专访

LIGO探测器在1999年最初建成，然后花了5年时间，在2005年到达了设计灵敏度，可以测量在60Hz以上，10kHz以下的引力波，位移变灵敏度达到10^-21。这是什么概念呢？这样的应变，如果是用到从地球到太阳之间的距离，导致的距离变化不超过头发丝的十万分之一。换算到千米量级的臂长，它对检验质量位移的灵敏度可以达到10-18米，是原子核大小的1/1000！

LIGO为什么可以达到比原子核大小还要小的灵敏度呢？

从光学定位的角度考虑，这是因为LIGO用了很强的激光，并且使用了光学谐振放大的方法。每一个光子，可以对位置进行一个光波长左右的测量。而光子在谐振腔中反复传播100次，就可以测量光波长百分之一的距离变化，也就是10^-8米。如果用多个光子，灵敏度会按光子个数的平方根增加。于是，10^20个光子，就可以达到10^-18米的灵敏度了。

而从原子尺度考虑，则是因为LIGO的光束打在了很多个原子上，这个平均的效应让我们可以测量到比单个原子尺寸更小的位移。在2003到2009年这段时间，LIGO-1采集了一些数据，并且作出了分析。但是在这个数据里面并没有发现引力波。从2009到2015年，LIGO进行了历时6年的升级，从LIGO-1升级到LIGO-2，也就是Advanced LIGO。

 世界各国的大型引力波探测器

在美国的LIGO计划开始之后，欧洲也开始进行引力波探测计划。目前，比较大型的探测器是由英国和德国合作，在德国Hannover附近建造的GEO 600探测器，以及由法国和意大利合作，在意大利Pisa附近的VIRGO探测器。GEO 600探测器的壁长是600米，而VIRGO的臂长是3000米。相比之下,VIRGO的造价和性能都远高于GEO 600，而和LIGO相当。

大家也许会问，为什么经济实力更强的英、德两国在引力波探测器的规模上竟然会比不过法意两国呢？据说，本来前西德也要建造一个4公里臂长的探测器。但是由于东西德合并，西德支持东德，这个经费就被砍掉了，只好建造一个600米的探测器。

最近，日本也开始建造大型的KaGRA引力波探测器。早年，在日本有一个TAMA300探测器，位于东京附近的三鹰市，在日本的国家天文台院内，臂长300米。日本科学家多年来一直致力于推动大型引力波探测，这个KaGRA项目终于在2008年立项。目前，这个探测器的建设已经基本完成，进入了调试阶段。

前些年，印度也开始加入了引力波探测的行列。LIGO实验室和印度引力波物理学界已经达成协议，计划把LIGO的一部分实验设备运往印度，并在印度开设一个LIGO-India的引力波观测站。

正可谓“谋事在人，成事在天”。回顾一下150914，它的发现是和人类历史上许多伟大发现一样，是一个偶然。

发现

在LIGO的正式运行中，都会做一个Blind Injection的操作：就是让几个合作者在数据里面偷偷的加上一些模拟的引力波信号，并且把这些信号的参数保密。这样，其他处理数据的人就算是有所发现，也没法知道真假。直到最后一刻，主持人打开信封，宣布偷偷加上的信号的参数，大家才恍然大悟。Blind Injection不但会提高士气，也会杜绝泄密。这个方法在LIGO-1的运行中颇有成效。

在2015年9月份，LIGO开始了一次工程试运行（Engineering Run）。因为只是调试运行，盲注的机制都没有组织好，所以根本就没有盲注。没想到，有些事情不能随便试的，没开始几天就发现了一个置信度超高的引力波信号。这个信号大到什么程度呢？就是只做一些简单的滤波后就可以用肉眼在数据的波形中发现了。自己看数据吧：

碰撞的过程

除去再次验证了爱因斯坦的神奇之处, 从这个探测到的引力波事件，我们可以学到什么呢？

从波的频率演化看，在低频的部分开始。

第一阶段。两个黑洞的引力波频率从30Hz开始。这在引力波天文学中是比较低的频段，但是这就意味着黑洞是15Hz轨道频率。再具体点就是，这两个黑洞分别为36和30太阳质量，每个半径大约是一百公里左右，距离是一千公里，每秒钟互相转15圈。

第二阶段。到两个黑洞快并合的时候，引力波频率达到100Hz，轨道频率50Hz，就是每秒钟转50圈。这个时候两个黑洞已经快形成一体了，它们每个人“中心”之间的距离大概是两百公里左右。

（编辑：云计算网_泰州站长网）

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