参与引力波探测的华人科学家:将推动中国天琴计划

　　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。

　　GW150914

　　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。

　　第三阶段。然后，这个合并成一体的扭曲的黑洞继续震荡，逐渐变成一个新的、旋转的黑洞(科尔黑洞)。这个黑洞的质量是63个太阳质量，它的半径大约是160 公里。在这个震荡的过程中，这个黑洞主要示发射频率在240Hz左右的引力波，说明它在以120Hz左右旋转，也就是每秒钟120圈。这个过程也可以看做是引力波在黑洞的“光球”周围绕转，并且逐渐逃逸到远处。

　　为什么最终的质量小于两个并合黑洞之和呢?我们不是说过引力波携带能量吗?有一部分的质量以引力波的形式被释放了。这些引力波携带的能量等于3个太阳质量，相当于百分之五的“质量”转化成了“能量。顺便说一句，号称宇宙中最亮的天体伽马射线暴一般释放几千分之一太阳质量所相当的能量。这次引力波功率峰值达到整个可见宇宙发光功率的50倍。

　　黑洞离地球的距离，是从引力波的绝对振幅所推断的。根据这个推断，我们得知碰撞过程发生在14亿光年以外。对应到标准宇宙学中的“红移”，这个事件所在的红移是0.09。在这个事件发生的时候，咱们的宇宙的“尺寸”是现在的91%。

　　意义

　　上面的三个过程，让我们第一次“亲眼看到”了黑洞的存在。由于引力波可以看成是直接推动了镜子的机械振动，我们也可以说是亲耳听到了黑洞的存在!

　　为什么我们知道是两个黑洞变成一个黑洞呢?下面我们给一个粗略的解释。单个物体的质量，可以从是通过波形的振幅和频率随时间演化所测定的。而上面第一、二个阶段的转换，可以让我们推测出每个物体的尺寸，从而断定它们都是黑洞。第三个阶段，波形的频率和衰减率可以让我们推断出最后形成黑洞的“光球”的存在和光球附近的几何结构。

　　LIGO科学家还从这个引力波的波形， 对相对论的预言做了一定的检验，并且在统计误差范围之内没有发现和相对论的区别。粗略的说，就是在波形的不同时间、不同频段，和相对论预言的吻合程度相对一致，没有发现系统的差别。加拿大华人网 http://www.sinoca.com/