2017引力波研究展望

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2017引力波研究展望

2017首答和首文獻給引力波

Einstein手稿

1974年，Taylor的突破

1974年，馬薩諸塞大學阿默斯特分校（UMA）的的天體物理學家Joseph Taylor（泰勒）和他的博士生Russell Hulse（赫爾斯）發現了脈衝雙星PSR1913+16。

由於發現者的緣故也被稱為Hulse-Taylor binary pulsar（赫爾斯-泰勒脈衝雙星）

這一組脈衝雙星包含一顆脈衝中子星和一顆普通中子星。

Taylor師徒首先發現的是其中的一顆脈衝星，由於其脈衝周期有一個系統性的變化。

該變化有時候快於理論值有時候則慢於理論值。這種變化是平滑而重複的。

他們意識到可以用在嚴格軌道上繞一顆伴星運動而引起的多普勒效應來解釋。

觀測的結果指出兩顆質量中子星質量分別約為1.4倍太陽質量。兩星間距最近為1.1倍太陽半徑，最遠為4.8倍太陽半徑。

由於兩顆中子星的其中一顆是脈衝星，而另一顆則是普通的中子星，利用它的精確的周期性射電脈衝信號，我們可以無比精準地知道兩顆緻密星體在繞其質心公轉時他們軌道的周期和半長軸。

根據廣義相對論，當兩個緻密星體近距離彼此繞旋時，會有可觀的能量丟失（但對於觀測來說依然微弱和緩慢）。

丟失的能量形式上是輻射出的引力波，系統總能量會越來越少，軌道半徑和周期也會相應的變短。

Taylor團隊在之後的30年時間裡面對PSR1913+16做了持續觀測。

觀測結果精確地按廣義相對論所預測的那樣：周期變化率為每年減少76.5微秒，而半長軸每年縮短3.5米。

1974至2000年觀測結果，點是觀測數據，曲線是理論值

廣義相對論甚至還可以預言這個雙星系統將在3億年後合併。

這是人類第一次得到引力波存在的間接且定量的證據，作為對廣義相對論引力理論的一項和最後一項重要驗證。

觀測數據和廣義相對論的理論值擬合度甚至超過99%

可以堪稱人類的偉大智力成就

但Taylor的研究只能定性「存在引力波」

而且這種確認沒有直接證據，判斷只是來源於能量丟失和廣相的計算結果高度符合

對於能量的具體形式並沒有能力確定

（詳細參見作者文章：Taylor與Hulse）

2016：引力波天文學時代

而2016年2月11日。NSF新聞發布會宣布「LIGO直接探測到了引力波」

和Taylor的間接推理不同的是，LIGO拿出的是直接性證據

LIGO發布會現場

（鏈接：LIGO發現引力波.新聞發布會（中文字幕））

兩顆質量分別為29和36顆太陽質量的黑洞合併為一個新黑洞，3個太陽質量以引力波形式釋放能量，成為了GW150914信號

華盛頓州漢福德和路易斯安那州利文斯頓的兩座LIGO得到的觀測結果

兩座干涉儀得到的結果使得結果可信度達到5.1σ（5.0σ就已經達到黃金標準）

相比於1974年Taylor的貢獻，LIGO的突破體現在至少以下幾點：

1、給出了引力波的決定性證據，獲得了引力波波形

LIGO得到了引力波的波形

去掉而噪音後，波形幾乎完美（由於和廣相計算結果高度擬合，以至於部分LIGO成員甚至誤認為是人工注入的模擬信號）

不僅完美的直接驗證了廣義相對論，也確認了黑洞合併事件的波形

2、確定了引力波的速度，光速c

漢福德和利文斯頓的兩地距離和信號時間差計算結果表明了Einstein預言的引力波光速是正確數值

3、開啟了引力波天文學

從更大的意義來看，這是從1609年伽利略的望遠鏡指向天空至今最偉大的科學成就

傳統的光學望遠鏡不僅要面臨信號衰減，還必須充分考慮到包括引力透鏡在內的一系列複雜機制對於光信號的破壞和變形

射電望遠鏡也無法根本解決射電信號的質量問題，只能不斷優化

而對於黑洞和夸克星（存疑）這樣的暗弱天體，光學觀察幾乎沒有可能性

（如果是瀕臨死亡的黑洞倒是有可能，參見作者文章：Hawking輻射）

相比之下，引力波探測方式更加像是在「聽」而非傳統的「看」

引力波信號非常穩定，且不受干擾

對於暗弱天體的觀測更加是具有極高和決定性的意義

從2016開始，引力波天文學的時代已經到來

（目前學界的估測認為2017年上半年將有望獲得不少於6個信號）

（詳細可見作者文章：Weiss）

2017展望

1、中國引力波計劃的推進

Weiss和Thorne，2016年2月11日

LIGO項目激勵了全球的引力波研究

歐洲、日本和印度的引力波計劃都在推進中

2015年諾獎得主梶田隆章教授即在領導日本岐阜縣的KAGRA引力波望遠鏡

（KAGRA位置緊靠超級神岡，參見作者文章：梶田隆章教授和超級神岡探測器）

中國在大潮中也沒有落後

中科院針對原初引力波研究的「阿里計劃」、引力波探測星組「太極計劃」還有中山大學領導的「天琴計劃」都在有序推進

太極計劃宣傳圖

「太極計劃」的規劃類似於歐洲的LISA計劃，雖然計劃在2030年前後，但前期的工作將早早展開。

「阿里計劃」更加是非常具有潛力，由於原初引力波的探測還沒有取得決定性的成果，所以中國將有望在第一線衝擊。

2、原初引力波

原初引力波在宇宙微波輻射背景（CMB）上留下的風箏狀偏振圖案

原初引力波經歷了BICEP-2的2014烏龍事件後挫動了全球信心

南極的BICEP-2望遠鏡

Alan·Guth（阿蘭·古斯）、Robet·Wison（羅伯特·威爾遜）、Linde（安德烈·林德）

但LIGO的成功同樣鼓勵著原初引力波和暴漲學說的研究。

由於引力波可以確定存在，而宇宙大爆炸模型也早已通過諸如Hubble膨脹和宇宙微波輻射背景得到強有力證明，原初引力波理論存在的幾率已經相當高。

現在需要做的便是觀察原初引力波留在宇宙微波輻射背景上的痕迹（即散度為零，旋度不為零的B模式偏振）

3、新型引力波事件

在2016年的NSF發布會上，Thorne也特別提到，「....................中子星表面如果存在峰，有可能可以探測到脈衝引力波信號...............」

事實上，Thorne一直認為人類獲得的最早的信號會來自中子星，但黑洞合併信號似乎更頻繁（僅僅在2015年便出現多個明顯黑洞信號）

最有可能的新信號種類包括

中子星的「峰」和中子雙星的靠攏

而黑洞的自旋帶來的引力波可能性則很低

（參見作者文章：Kerr黑洞與引力波）

2015年的三個事件

目前為止，黑洞合併事件數量比例還是相當高的

隨著各國新型探測器的改進和服役，相信將會有更大頻率範圍和更多種類的引力波信號出現

拭目以待！

最後預祝Rainer Weiss、Kip Thorne和Ronald Drever三位今年能拿下炸藥獎。

呼~話說許多朋友吐槽2016年諾獎沒有給引力波。

其實沒啥奇怪。

第一，2015才給了天體物理，即使破例好歹隔一年。

第二，提名截止2月1日，明顯沒趕上。

其實2017年頒給引力波的概率還是很高的

（有點像Higgs玻色子的炸藥獎）

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