引力波的「直接」觀測為什麼很難？

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現在探測到的引力波好像都是間接的證據，傳聞 LIGO 第一次直接觀測到了

剛才看了LIGO的發布會的直播，他們確認探測到了引力波。兩個探測站相隔7毫秒探測到了相同的信號，與愛因斯坦方程的解是一致的，這樣就確認了信號確實是引力波。引力波來自黑洞雙星的合併，合併過程中損失了3倍太陽質量，轉變為能量以引力波的方式在向空間輻射。

引力波來源的大致方位是南方太空大麥哲倫星雲，距離我們13億光年。

這兩個黑洞合併的時候，地球上的多細胞生物剛剛出現。而引力波今天才來到地球。

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謝邀。

簡單的說，直接觀測的難度來自：從地球上能觀測到的引力波太弱了。

為了讓這個答案盡量完整，首先我們來看看什麼是引力波。

在廣義相對論中，引力是質量引起的時空彎曲。如果我們把四維時空想像成一個二維的平面（如水面），就可以用下面的例子來類比時空彎曲。

小蟲的腳對水面有壓力，造成水面向下凹陷。如果它抬起一隻腳，凹陷的水面會上升，並且在水面上盪起一圈圈波紋。

在這個例子中，壓力變化造成水面曲率的變化，並且以波的方式向四周擴散。同樣，空間中質量分布的變化也會讓時空曲率發生變化，並且以波的方式向各個方向擴散。這個波就是引力波。下面是中文維基上對引力波的定義（重力波 (相對論)）。

引力波是指時空曲率以波的形式從源頭向外傳播的擾動，這種波以重力輻射的形式傳遞能量。

我們可以從以下幾點來認識引力波。首先，引力波不是引力。一個天體即使質量再大，如果它保持靜止或者做勻速直線運動，是不會產生引力波的。我們要求質量分布的變化。

其次，球對稱或圓柱對稱的質量分布的變化不會產生引力波。所以以下情況都不會產生引力波。

恆星（近似為球體）自轉。
脈動變星周期性的擴展和收縮。
太陽進入紅巨星階段，體積增加。

而下面是一些有引力波產生的情況。

雙星系統。近距離相互圍繞旋轉的緻密星體（白矮星，中子星，黑洞）是重要的引力波源。由於引力波輻射會帶著雙星的動能，所以它們會逐漸接近，最後結合。從這個角度來看，引力波輻射實際上限定了雙星系統的生命期。如果雙星系統中有黑洞，引力波的強度會比較高。尤其是當兩個超級黑洞合併時產生的超強度引力波對於探測儀有極高的信噪比。另一個特殊的例子是，當一個恆星質量的天體墜落到星系中心的巨型黑洞時，這個過程十分緩慢，地球上的探測儀可以在長達幾年的時間內探測到相同的波形。
脈衝星。脈衝星是一種快速自轉並帶有強磁場的中子星。部分脈衝星本身質量分布並不均勻，所以它們在自傳的時候造成了質量分布的變化，產生引力波。
超新星。一顆大質量的恆星走到生命的終點時，外層會以極高的速度向內核塌陷，速度可以達到每秒7萬公里。這個塌陷通常是不對稱的，所以會產生較強的引力波。
伽馬射線暴。一般認為伽馬射線暴來自快速自轉的黑洞的誕生，如果是這樣，那麼在觀察到伽馬射線暴的同時，引力波也應該接踵而至。
大爆炸。在宇宙大爆炸中產生的原初引力波可以追溯到大爆炸後10^-24秒，也是引力波天文學的重要觀測目標。

圖片來自 http://www.space.com/25445-how-ligo-lasers-hunt-gravitational-waves-infographic.html

天文學家在宇宙微波背景輻射中發現了十分暗淡的曲線圖案。他們相信這是由於宇宙暴漲時期的引力波導致的。

引力波傳播的速度是光速。它和其他形式的波一樣，有振幅，波長和頻率等特性。引力波的振幅是指距離變化的比例。如果這是你：

那麼，一個振幅為0.2的引力波經過的時候，你就會發生這樣的變化。

如果宇宙中引力波能夠傳播到地球的話，為什麼我們的世界沒有變成這樣的哈哈鏡呢？回到水面小蟲的例子。如果湖中心的小蟲抬起了一隻腳，湖中心就會盪起幾圈漣漪。但是，站在湖邊的你是不會發現水面有什麼變化的。

宇宙中的很多天體，如恆星，中子星，黑洞，和地球比較起來都是巨無霸。但是，放在宇宙中，它們就像是湖中的小蟲。它們產生的引力波在地球上很難探測得到，因為我們離它們太遠了。當來自宇宙深處的引力波達到地球是，遠遠不能產生上面例子中的效果。

在地球/太陽系周圍的超新星或黑洞雙星等產生引力波的天體離我們過於遙遠，它們的引力波到達地球時，振幅還不到10^-21。這樣的引力波對一個人的身高影響大約只有一個質子直徑的一百萬分之一。你可以想像，要多精密的儀器才能探測這麼微小的變化。

由於直接探測引力波的困難，毫無意外的是，首先取得成功的是間接探測。由於引力波會帶走雙星的動能，它們的軌道會隨之衰變，逐漸靠攏。美國物理學家Russell A. Hulse和Joseph H. Taylor Jr經過30多年的觀察，證實了一個脈衝星雙星系統的軌道變化符合廣義相對論計算的引力波能量輻射，從而獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。從這裡我們也可以看到科學研究的巨大成功背後需要多少勤勤懇懇和鍥而不捨的工作。

激光干涉引力波觀測站（Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, LIGO）是目前最大規模的地面引力波探測機構。

圖片來自 http://www.space.com/25445-how-ligo-lasers-hunt-gravitational-waves-infographic.html

LIGO的工作原理是這樣的。

圖片來自 http://www.space.com/25445-how-ligo-lasers-hunt-gravitational-waves-infographic.html

激光器發出激光，被分成兩束，這兩束頻率完全同步的激光分別進入兩個長4公里，相互垂直的真空管（從上面的照片中也可以看到）。兩束激光在各自的管道中來回反射400次，最後疊加，進行相消干涉。在正常情況下，它們應該相互抵消。如果有引力波經過，使兩條管道產生不同的長度變化（一條變長，一條變短），造成兩道激光的光程差，最後合併的時候，它們就會產生干涉條紋。採用這樣的方法，LIGO的探測精度可以達到質子直徑的千分之一。

然而，在這樣的精度下，任何來自環境的擾動都會造成干涉條紋。針對這個問題的解決方法有兩個。第一，引力波是一種波，它的特點是周期性變化。第二，LIGO在距離上千公里的地點建立了3個觀測站。只有3個觀測站都得出相同的結果，才能確認探測是有效地。

LIGO的觀測目標是我們鄰近星系中的中子星和黑洞合併時釋放的引力波。然而，從2002年到2010年，LIGO沒有探測到一次引力波。這並不奇怪，雖然在宇宙中這樣的事件並不稀奇，但是在我們周圍，哪怕10年發生一次的概率也非常低。也許LIGO不太走運，一次也沒有遇到。最後，LIGO對探測技術進行了升級，變成了Advanced LIGO，探測精度提高了10倍，這意味著可以探測的空間範圍提高到了以前的1000倍。

Advanced LIGO從2015年9月開始運行。不久就傳出了流言，說已經成功探測到了引力波。然而，LIGO迄今為止沒有發布任何聲明。也許這真的只是一個謠言，也許不是，因為一次可能成功地探測也需要長達數月的計算檢驗。我們能不能在近期直接觀察到引力波，還需要繼續拭目以待。

確實很難！確實很難！確實很難！三遍了吧...

強度弱只是其中一個方面，LIGO需要測量出一個質子大小的千分之一的位移，你能想像這種激光干涉儀的靈敏度該有多高。

除此之外，更重要的是，在測量中，實驗者要面臨充滿各種因素引起的雜訊的數據。怎麼儘可能消除雜訊的影響，這對數據處理和雜訊分析的要求會非常高，尤其是對計算機演算法。一般是用Frequentist和Bayesian的方法去估計已知引力波模板的參數，並不是像傳統意義的測量那樣直接得到引力波的強度和頻率信息。這裡需要注意：任何測量都是一種擬合，但擬合不一定是測量。Frequentist的方法就是最大似然函數的估計方法，演算法構建較為複雜，由於只關心某幾個參數的最大似然函數，因而計算量不大；Bayesian方法基於「存在一個先驗概率」的假設，簡單粗暴，但需要對每一個參數做積分，計算量會非常龐大。不管怎樣，對於一個完整的引力波證認，兩種方法缺一不可。

因此，引力波探測是一項非常困難的工程，如果能找到，那將開啟天體物理學的一扇新窗口，對物理學的研究可能是劃時代意義的！

因為太弱了……對儀器靈敏度要求很高……
順便，歷史上有不少人宣稱過自己探測到了引力波，比如Weber在20世紀60~70年代宣稱用自己發明的探測器探測到了引力波（探測器是真的，但實驗結果未被他人證實。Weber的探測器可以說是世界上第一個真正意義上的引力波探測器），但這些結果都沒能獲得學術界承認，因為每次都只有一個人或者一個組探測到了引力波……

簡要回答
①引力波最低級的輻射是四級輻射這比電磁波（最低是偶極輻射）的接受裝置複雜點，而且能觀察到的效應比較微弱。
②球形天體自轉不產生引力波，儘管天體不是標準球體，但這意味著只有質量大，自轉高的天體自轉能夠有效輻射引力波，但引力波輻射功率較大，會很快（幾年內）消耗轉動動能使自轉下降，使得引力輻射功率減小。
③天體公轉會產生引力波，但現在發現的公轉天體大都是太陽系內天體，引力輻射損失能量還不到其他原因損失能量，無法觀測。
④雙星系統能夠輻射引力波，輻射功率依賴天體質量和相對距離，質量越大、距離越小，功率越大。能夠作為理想的引力波波源。
顯然容易觀測的天體都不適合距地球太近，到達地球的能量太少，故不易觀測到。

PS.手機貼的圖為什麼是側著的？

首先，在看這個問題的之前，應當去了解【什麼是引力波】和【科學家如何測量引力波】

其次，正如科普文章所說，「引力波探測器要能夠檢測到約10^-21量級的長度變化」，而這種長度變化幾乎是微乎其微。

並且，在使用了兩個激光干涉引力波觀測台（LIGO）來檢測引力波之後，科學家逐漸發現，「在附近疾馳而過的汽車，到極其微弱的地震活動，從儀器的輕微起伏到人為的信號改動」，諸多因素都能成為影響引力波測量的噪音，因此在紛繁複雜的雜訊中，要確保測量出的結果純粹由引力波造成，是一件及其困難的事。

這之中有無數次的失敗，有無數次的空歡喜，凝聚了無數人的心血，能得出結果還夾雜著不少運氣成分。但在這歷史性的一刻，我看到了人類邁入了嶄新的新紀元，從此，星際穿越將不再是遙不可及的夢想。

科學，不就是這樣讓人熱血沸騰的東西嘛~

「需要引力波探測器要能夠檢測到約10^-21量級的長度變化。」

太弱。