大质量加速物体（如合并的黑洞或中子星）在时空中产生的涟漪
新的宇宙信使
引力波 是时空本身的扭曲，以光速传播。最早由 阿尔伯特·爱因斯坦 1916年，当质量-能量分布不对称加速时，它们会自然地从广义相对论的场方程中产生。几十年来，这些引力波一直是一个理论上的奇观——似乎太微弱，人类的技术无法探测到。这种情况在 2015，当激光干涉引力波天文台（LIGO）首次直接探测到合并黑洞发出的引力波，这一发现被誉为现代天体物理学最伟大的突破之一。
与可被吸收或散射的电磁信号不同，引力波穿过物质时衰减极小。它们携带着关于最剧烈宇宙事件的未经过滤的信息——碰撞 黑洞， 中子星 合并，甚至可能是超新星坍缩——这为传统天文学提供了一种新的观测工具。本质上，引力波探测器就像“耳朵”，能够感知时空的振动，揭示望远镜无法观测到的现象。
2.理论基础
2.1 爱因斯坦场方程和小扰动
之内 广义相对论，爱因斯坦场方程将时空的几何形状与 gμν 应力能量含量 Tμν在真空中（远离质量浓度），这些方程简化为 Rμν = 0，意味着时空是局部平坦的。然而，如果我们将时空视为近乎平坦的加上微小的扰动，我们就会得到波动的解：
克μν = ημν + 小时μν，
其中 ημν 是闵可夫斯基度量，hμν ≪ 1 是一个小偏差。线性化爱因斯坦方程得到 h 的波动方程μν以速度 c 行驶。这些解被称为 引力波。
2.2 极化：h+ 和 h×
广义相对论中的引力波 两个横向极化状态，通常用“+”和“×”表示。当引力波穿过观测者时，它会沿着垂直轴交替拉伸和压缩距离。相比之下，电磁波具有横向电场和磁场振荡，但在旋转下会发生不同的变换（引力波的自旋为2，而光子的自旋为1）。
2.3 双星系统的能量发射
爱因斯坦的四极子公式表明 力量 引力波辐射的能量取决于质量分布四极矩的三阶时间导数。球对称或纯偶极子运动不会产生引力波。在致密天体（黑洞、中子星）的双星系统中，轨道运动的变化会产生巨大的四极矩变化，从而导致显著的引力波辐射。随着能量辐射出去，轨道 螺旋式，最终合并形成引力波爆发，其强度足以在数百兆秒差距或更远的距离探测到。
3. 2015年之前的间接证据
3.1 双脉冲星PSR B1913+16
早在直接探测之前， 拉塞尔·赫尔斯 和 约瑟夫·泰勒 发现第一个 双脉冲星 于1974年首次观测到其轨道衰减，其结果与广义相对论方程中引力波发射所预测的能量损失非常吻合。几十年来，测得的轨道周期衰减率（~2.3×10-12 s/s) 与理论预测的误差在~0.2% 的范围内。这提供了 间接证明 引力波会带走轨道能量[1]。
3.2 附加双脉冲星
后续系统（e.g。， 这 双脉冲星 J0737–3039）进一步证实了这种轨道收缩。尽管尚未实现直接的引力波探测，但与广义相对论四极子公式的一致性有力地支持了引力波的存在。
4. 直接探测：LIGO、Virgo 和 KAGRA
4.1 LIGO 的突破（2015 年）
经过几十年的发展， 先进的 LIGO 位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的干涉仪捕捉到了第一个 直接引力波 信号于 2015 年 9 月 14 日发出（2016 年 2 月宣布）。波形名为 格W150914，来自质量分别为约 36 倍和约 29 倍太阳质量的黑洞在约 1.3 距离我们约十亿光年。随着它们不断吸积，振幅和频率不断上升（特征性的“啁啾”），最终在合并后形成铃声[2]。
这次检测证实了几个主要预测：
- 黑洞双星的存在 融入当地宇宙。
- 波形 匹配黑洞合并的数值相对论模拟。
- 旋转 排列和最终黑洞质量。
- 广义相对论在强场、高度相对论范围内的有效性。
4.2 其他天文台：Virgo、KAGRA、GEO600
处女座 （在意大利）于 2017 年加入成为正式合作伙伴。同年 8 月，三重检测 格W170814 另一个黑洞合并可以实现更好的天空定位和极化测试。 卡格拉 （位于日本）利用地下低温镜降低噪音，旨在扩大全球网络。遍布全球的多个探测器改善了天空三角测量，显著减少了误差区域，并有助于电磁跟踪。
4.3 BNS合并：多信使天文学
2017年8月， 格W170817 由 LIGO-Virgo 观测到的中子星合并产生的 伽马射线爆发 约1.7秒后探测到，加上千新星的光学/红外余辉。这次多信使观测锁定了宿主星系（NGC） 4993），证实了此类合并会产生重元素（例如金），并进一步验证了引力波速度接近光速，精度高达光速。它开创了天体物理学的新纪元，将引力波与电磁信号相结合，深入了解中子星物质、膨胀速率等。
5.现象与含义
5.1 黑洞合并
黑洞——黑洞 （黑洞）合并通常不会产生明亮的电磁信号（除非存在气体）。但引力波信号本身就能提供质量、自旋、距离和最终的振铃信息。迄今为止发现的数十个黑洞-黑洞事件显示出广泛的质量范围（约5-80 M⊙）、自旋和螺旋速率。这彻底改变了黑洞的人口统计。
5.2 中子星碰撞
中子星–中子星 中子星（BNS）或中子星-中子星碰撞可以产生短伽马射线暴、千新星或中微子发射，从而加深我们对超高密度核状态方程的认识。中子星并合产生r过程重元素，连接核物理和天体物理。引力波信号与电磁余辉的相互作用为深入探究宇宙核合成提供了可能。
5.3 检验广义相对论
引力波波形可以检验广义相对论 强场区。迄今为止，观测到的信号与广义相对论的预测没有显著偏差——没有偶极子辐射或引力子质量的迹象。未来的高精度数据或许可以证实这些微妙的修正，或揭示新的物理原理。此外，黑洞合并中的振铃频率检验了“无毛”定理（广义相对论中的黑洞仅由质量、自旋和电荷描述）。
6. 未来的引力波天文学
6.1 正在进行的地面探测器
LIGO、Virgo以及KAGRA都在不断提升灵敏度—— 先进的 LIGO 可能接近设计灵敏度~4×10-24 应变接近 100 Hz。GEO600 继续 R&D. 接下来的运行（O4、O5）预计每年会发生数百次黑洞合并，以及数十次中子星合并，从而提供引力波“目录”，揭示宇宙速率、质量分布、自旋，以及可能出现的新的天体物理惊喜。
6.2 天基干涉仪：LISA
丽莎 欧空局/美国宇航局计划于2030年代建造的激光干涉仪空间天线（LISA），将探测来自超大质量黑洞双星、极端质量比螺旋星系（EMRI）以及潜在的宇宙弦信号或暴胀背景辐射的低频引力波（mHz范围）。LISA在太空中250万公里的臂长使其能够探测到地面探测器无法探测到的辐射源，从而连接高频（激光干涉引力波天文台LIGO）和纳赫兹（脉冲星计时）领域。
6.3 脉冲星计时阵列
在纳赫兹频率下， 脉冲星计时阵列 像NANOGrav、EPTA、IPTA这样的脉冲星观测系统，可以测量毫秒脉冲星阵列中脉冲到达时间的微小相关性。它们旨在探测 随机 来自星系中心超大质量黑洞双星的引力波背景。早期迹象可能正在显现。未来几年的确认将完善多波段引力波谱。
7. 对天体物理学和宇宙学的更广泛影响
7.1 致密双星的形成
引力波星表揭示了黑洞或中子星在恒星演化过程中如何形成，它们如何配对形成双星，以及金属丰度或其他环境因素如何影响质量分布。这些数据有助于与电磁瞬变巡天协同作用，指导恒星形成和星族合成模型。
7.2 探索基础物理学
除了检验广义相对论之外，引力波或许还能对其他理论（例如大质量引力子、额外维度）施加约束。它们还能校准 宇宙距离阶梯 如果发现已知红移的标准塞壬事件。它们可能有助于独立于宇宙微波背景或超新星方法测量哈勃常数，从而缓解或加剧当前的哈勃紧张局势。
7.3 打开多 Messenger 窗口
中子星合并 （像 GW170817）统一引力波和电磁数据。如果核心坍缩超新星或BH-NS合并产生中微子，未来事件可能会增加中微子。这种多信使方法为爆炸事件提供了前所未有的细节——核物理，r过程元素形成， 黑洞的形成。这种协同作用类似于超新星中微子 1987A 增强了人们对超新星的认识，但规模要大得多。
8. 奇异的可能性和未来前景
8.1 原始黑洞和早期宇宙
早期宇宙的引力波可能来自 原始黑洞 宇宙融合、宇宙暴胀或最初几微秒内的相变。未来的探测器（LISA、下一代地面仪器、宇宙微波背景B模式偏振实验）或许能够探测到这些遗留信号，揭开宇宙最早时期的面纱。
8.2 探测奇异物体或暗区相互作用
如果存在奇异天体（玻色子星、引力真空星）或新的基本场，引力波信号可能与纯黑洞并合不同。这可能揭示超广义相对论物理或与隐藏/暗区之间的耦合。目前为止，尚未发现异常，但如果灵敏度足够高或出现新的频带，这种可能性仍然存在。
8.3 潜在的意外
历史上，每一次新的宇宙观测窗口都会带来意想不到的发现——射电、X射线和伽马射线天文学都发现了先前理论无法预测的现象。引力波天文学或许也能揭示一些我们从未想象过的现象，从宇宙弦爆发到奇异的致密合并，再到新的基本自旋2场。
9. 结论
引力波—曾经是一个理论细微差别 爱因斯坦的 方程——已经发展成为探索宇宙 最有活力 和 神秘 事件。2015 年的检测 LIGO 验证了一个百年前的预测，开创了 引力波天文学随后对黑洞与黑洞以及中子星合并的探测证实了相对论的关键方面，并以仅靠电磁手段无法实现的方式揭示了宇宙中致密双星的数量。
这个新的宇宙信使具有广泛的影响：
- 测试 广义相对论 在强场范围内。
- 照亮 恒星演化 产生合并黑洞或中子星的通道。
- 开幕 多信使 与电磁信号的协同作用，以获得更深入的天体物理学见解。
- 潜在测量 宇宙膨胀 独立地寻找奇异的物理学，如原始黑洞或修正重力。
展望未来，先进的地基干涉仪、像LISA这样的天基阵列以及脉冲星计时阵列将在频率和距离上扩展我们的探测范围，确保引力波仍然是天体物理学中一个充满活力的前沿领域。引力波研究有望发现新的现象，验证或挑战现有的理论，并可能揭示关于时空结构的新的基本见解，这使得它成为现代科学中最活跃的领域之一。
参考文献及延伸阅读
- 赫尔斯，RA， & Taylor，JH（1975）。 “在双星系统中发现脉冲星。” 天体物理学杂志快报， 195，L51–L53。
- Abbott, BP 等人（LIGO 科学合作组织和 Virgo 合作组织）（2016 年）。 “双黑洞合并产生的引力波观测。” 物理评论快报， 116，061102。
- Abbott, BP 等人（LIGO 科学合作组织和 Virgo 合作组织）（2017 年）。 “GW170817：对双中子星引力波的观测。” 物理评论快报， 119，161101。
- Maggiore，M.（2008）。 引力波，第 1 卷：理论与实验。 牛津大学出版社。
- Sathyaprakash，理学学士， & Schutz，BF（2009）。 “引力波的物理学、天体物理学和宇宙学。” 相对论中的生活评论， 12，2.
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