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有引力波：我们在“看”什么？ 2015年9月，全球范围内的天文学家们在探测器LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，激光干涉重力波探测器）上检测到了一种迄今为止未曾直接探测到的东西——万有引力波。这一震惊世界的发现揭示了爱因斯坦广义相对论中关于弯曲时空的假设，并为研究黑洞、中子星等宇宙极端天体提供了全新的手段。 万有引力波是什么？ 万有引力波是一种由质量运动产生的曲率扰动，它们通过时空传播。简单来说，万有引力波是由运动质量所引起的弱引力场的扰动，这些扰动会在空间中以波的形式传播。在爱因斯坦的广义相对论中，时空与质量的分布相关联，质量和能量会引起时空弯曲，仿佛将空间拉扯成了弹性网格。而当质量移动时，这种弯曲就会随之扰动，像在水中投掷石子一样形成一系列波动。 探测器LIGO能够“看”到万有引力波吗？ “LIGO可以看到什么？”这是一个看起来简单但却非常具有意义的问题。实际上，LIGO并不能像望远镜那样直接“看到”万有引力波，而是通过测量波峰与波谷的相对位移得到引力波到达的时间和位置信息。具体来说，LIGO由两个单臂龙菲尔德式激光干涉仪组成，每个仪器都由一条臂长为4公里的L型通道组成。当激光束穿过通道时，由于时空的弯曲，两束激光将会相对移动。当万有引力波穿过地球并传递到探测器时，它会微观地扰动地球和探测器，使两束激光的运动有所不同，从而在输出端形成一种干涉图案，这个干涉图案能够告诉天文学家们有关引力波传播时间、位置、强度等信息。 对这个干涉图案的测量需要极为高精度的仪器，LIGO实际上是世界上最为精密的仪器之一。LIGO所测量的信号非常微弱，甚至只有原子核尺度的变化。为了使实验的结果足够准确，研究人员不仅要考虑地球自转、地震、热噪声等因素的影响，还要使用谐波分析、卡尔曼滤波等算法对检测数据进行处理。 万有引力波探测的历史 LIGO是由一批科学家于20世纪80年代中期开始构思的。早期的计划遇到了很多挑战，大部分是由于技术的限制。在1990年代，LIGO得到了更为稳定的螺旋型鼓泡技术，这使得其能够更加准确地检测到引力波信号。2007年，LIGO更换了更为灵敏的激光和设备，并对数据采集系统进行了升级。在此基础之上，新一波重大的探测尝试在2015年拉开序幕。 2015年，LIGO在两次观测中发现了两个独立的引力波信号，其中一个来自于两颗质量相当的黑洞相互距离约
1.4亿光年时碰撞的信号，另一个来自于两颗质量差不多相等的中子星合并造成的信号。这两次探测的结果验证了爱因斯坦广义相对论中关于弯曲时空存在的万有引力波的假设，引起了科学界广泛关注。 未来的展望 万有引力波已经在探测器LIGO中被观测到，但人们的研究之路远远没有结束。随着探测器技术的不断改进，人们对宇宙深处的探索也将更加精确和深入。通过观测引力波，天文学家们有望探测到宇宙中已知和未知的天体，了解宇宙中物质分布，反推宇宙演化的历史轨迹。同时，传统观测手段也将和引力波探测结合起来，为我们揭示更多宇宙奥秘。