引力波GyD.F4y2Ba

从吸气双星系统发射的引力波像水波[1]一样向外传播。GyD.F4y2Ba在GyD.F4y2Ba一般相对论GyD.F4y2Ba那GyD.F4y2Ba引力GyD.F4y2Ba两个大质量的物体之间，如行星或恒星之间的曲率GyD.F4y2Ba时空GyD.F4y2Ba，它本身是由巨大的尸体的存在引起的。GyD.F4y2Ba引力波GyD.F4y2Ba是在时空曲率中传播的扰动，是由宇宙中一些最激烈和最有能量的物理过程引起的。在广义相对论中，一个常见的类比是，重力是由质量使橡胶薄板翘曲引起的;较小的质量往往会落入较大质量造成的凹痕，这代表了引力的吸引效应。在这个类比中，引力波是橡胶片上向外传播的“涟漪”GyD.F4y2Ba波浪GyD.F4y2Ba在水面上。GyD.F4y2Ba

地球对橡胶板类比的太阳引力吸引力[2]。GyD.F4y2Ba

不像牛顿引力，引力瞬间起作用，根据GyD.F4y2Ba特殊相对论GyD.F4y2Ba所有的相互作用，包括重力，都不能比光速传播得更快。作为广义相对论的一部分，爱因斯坦在1916年预言，引力以波的形式传播，由一种叫做a的无质量粒子作为媒介GyD.F4y2Ba格雷顿GyD.F4y2Ba以光的速度旅行。这些颗粒以与光子包括光波的方式相同的方式包括引力波。GyD.F4y2Ba

引力波的数学及其检测很困难，需要解决Einstein方程的简化版本，傅立叶分析的应用以及广泛的知识GyD.F4y2Ba量子力学GyD.F4y2Ba．无论如何，物理学家已经能够预测可显着的精度可观察量，例如来自恒星或黑洞的引力波中的引力辐射的功率以及设计用于检测引力波的激光干涉仪中的相移。2016年2月11日，利加罗科学协作和处女座协作证实，他们于2015年9月14日直接观察到来自两种以前相互轨道的合并的引力波信号GyD.F4y2Ba黑洞GyD.F4y2Ba，使用激光干涉测量技术。2017年10月3日，2017年诺贝尔物理学奖是授予三大物理学家，主要涉及Ligo的概念和发展：Rainer Weiss，Barry C. Barish和Kip S. Thorne [3]。GyD.F4y2Ba

为了说，引力波在时空的曲率下传播干扰意味着引力波在通过它们时影响物体之间测量的距离。就像光波一样，引力波有不同的GyD.F4y2Ba偏振GyD.F4y2Ba．这些偏振的特征在于引力在圆环上具有特定偏振作用的引力。当具有特定偏振的引力波穿过质量环时，它以特征图案扭曲了肿块的位置。引力波的两极化被称为“GyD.F4y2Ba $+GyD.F4y2Ba$“ 和 ”GyD.F4y2Ba $\时代GyD.F4y2Ba$“偏振，对应于随时间随时间的振荡的两个特征模式，作为具有这些偏振的引力波通过它们：GyD.F4y2Ba

左：群众环的振荡作为一个GyD.F4y2Ba $+GyD.F4y2Ba$偏振的引力波通过它们。右：具有引力波的效果相同GyD.F4y2Ba $\时代GyD.F4y2Ba$极化[1]。GyD.F4y2Ba

作为引力波通过它们的两个肿块之间测量距离的相对变化被称为GyD.F4y2Ba应变GyD.F4y2Ba．GyD.F4y2Ba

特别强的引力波来源是普遍存在的二元系统。这些是两个星星或黑洞，围绕其共同的质心。随着它们在整个轨道整个轨道上的引力波（和因此能量）时，轨道半径缓慢降低，直到恒星/黑洞碰撞。如果两颗星/黑洞每种颗星GyD.F4y2Ba $mGyD.F4y2Ba$是否以角频率相互绕轨GyD.F4y2Ba $\ omega.GyD.F4y2Ba$和半径GyD.F4y2Ba $R.GyD.F4y2Ba$到它们的旋转中心，在一定距离处的应变的大小GyD.F4y2Ba $R.GyD.F4y2Ba$从二元系统振荡作为时间的函数GyD.F4y2Ba $T.GyD.F4y2Ba$，大致[4]：GyD.F4y2Ba

$h = \ frac {8gm} {rc ^ 4} \ omega ^ 2 r ^ 2 \ cos \ left（2 \ omega \ big（t - \ frac {r} {c} \ big）\右），GyD.F4y2Ba$

在哪里GyD.F4y2Ba $GGyD.F4y2Ba$牛顿的引力常数和GyD.F4y2Ba $CGyD.F4y2Ba$是光速。因此，由重力波引起的应变的大小与源的距离成反比。由于恒星/黑洞的大多数二进制系统远离地球，因此引力波的最强信号将来自非常大规模或非常快速旋转的二元系统。即便如此，由大多数系统的引力引起的菌株粗略地是粗略的GyD.F4y2Ba $h = 10 ^ {-26}GyD.F4y2Ba$．这意味着，如果两个肿块被距离分开GyD.F4y2Ba $L.GyD.F4y2Ba$，分离的变化GyD.F4y2Ba $δL \GyD.F4y2Ba$由传递引力波满足GyD.F4y2Ba

$\ frac {\ delta l} {l} = h \约10 ^ { - 26}。GyD.F4y2Ba$

注意，由于左侧的分子和分母都具有长度的单位，因此该菌株是无单位的。即使是最强的已知引力波信号也会引起订单株GyD.F4y2Ba $H \约10 ^ { - 20}GyD.F4y2Ba$．结果，非常难以直接测量重力波信号，因为很少有实验装置可以检测这种微小菌株。GyD.F4y2Ba

除了导致自由群体系统的振荡之外，引力波也会导致所谓的GyD.F4y2Ba记忆效应GyD.F4y2Ba，其中，通过该批量通过其传递的自由系统从其初始配置永久地移位。最近在高能量物理学中的工作已经调查了对其他自然力量的记忆效应的存在。GyD.F4y2Ba

由于引力波的直接信号是微小的，因此几十年来，引力波存在的唯一证据是间接的。而不是直接观察由引力波引起的菌株，天文学家在1974年在1974年观察到二元星系的旋转时期随着引力波的能量损失而减少。该系统，称为PSR B1913 + 16或GyD.F4y2BaHulse-Taylor二进制GyD.F4y2Ba发现后，包括一个GyD.F4y2Ba中子星GyD.F4y2Ba和一个GyD.F4y2BaPulsar.GyD.F4y2Ba(辐射中子星)。中子星密度很大，体积很小，所以这个系统的自转周期很小。脉冲星发出的辐射束只有指向地球时才能被观测到，因此提供了一个高度精确的时钟来测量自转周期。根据广义相对论，这样一个双星系统的辐射功率是[4]GyD.F4y2Ba

$p = - \ frac25 \ frac {g ^ 4 m ^ 5} {c ^ 5 r ^ 5}，GyD.F4y2Ba$

在哪里GyD.F4y2Ba $mGyD.F4y2Ba$是每个星的质量（假设它们大致相等），GyD.F4y2Ba $R.GyD.F4y2Ba$是每个星的距离到旋转中心，和GyD.F4y2Ba $GGyD.F4y2Ba$是牛顿的引力常数。这种功率损失使二进制系统以更快且更快的速率升高，因为一旦系统开始较快，它会更快地发出引力波，这反过来导致更快的促进。与来自引力波理论的预测相比，绘制来自Hulse-Taylor系统的数据，以便随着时间的推移而变化。该协议是显着的：GyD.F4y2Ba

红色点表示Hulse-Taylor二元系统的旋转周期的测量值，覆盖在代表理论模型的蓝色曲线上[5]。GyD.F4y2Ba

尽管引力引起的菌株是微小的，但它们可以使用激光干涉测量法的技术直接测量。这是先进激光干涉仪引力波天文台（高级LIGO）使用的技术，该方法于2015年9月14日从现在称为GW150914的二进制黑洞合并中直接检测到引力波。GyD.F4y2Ba

一个先进的Ligo探测器的鸟瞰图。GyD.F4y2Ba

先进的LIGO设备由两个组成GyD.F4y2Ba迈克尔森干涉仪GyD.F4y2Ba位于美国路易斯安那州的华盛顿州华盛顿，美国和香络顿，对下跌的秩序敏感GyD.F4y2Ba $H \约10 ^ { - 22}GyD.F4y2Ba$．两个探测器是必要的，因为单个检测器无法检测到重力波源的位置，并且为了提供表观信号的额外验证。每个探测器的两个臂长度为4公里。来自A的光GyD.F4y2Ba $1064 \文本{nm}GyD.F4y2Ba$Nd:YAG激光进入分束器，分束器将光束分成探测器的每一个分支。在每只臂上，激光被放大到GyD.F4y2Ba $100 \ text {kw}GyD.F4y2Ba$通过在位于手臂两端的两个镜子(“测试质量”)之间弹跳。通过的引力波通过引力波的张力来改变镜面之间的距离。GyD.F4y2Ba

先进的LIGO装置的示意图，改性的迈克尔逊干涉仪。激光反复通过臂反弹，从引力波引起的任何位移拾取小相移。这转化为在光电探测器[5]处看到的干涉模式。GyD.F4y2Ba

检测器臂高度绝缘地从地震噪声和热噪声绝缘，因为由于地球的构造活动或热波动引起的任何微小振动都会大大压倒引力波信号。每个臂中的激光反弹之间的镜子悬挂在振动隔离阶段，并且在左右的温度下保持在百万个kelvin的温度下，在这种镜子本身附近的低能量下GyD.F4y2Ba量子基态GyD.F4y2Ba[7]。GyD.F4y2Ba

对腔体中的光子中的光子数量的量子波动是困难的效果。这是一个问题，因为当它从它们反射时，光线对物体产生压力;因此，光子数中的不确定性转化为腔体中的镜子上的不确定/波动量，这可能会因重力波而压倒镜子上的位移。在激光器中，光子数量的波动量为光子数量的平方根。虽然这一事实使其似乎使用较少的精力充沛的激光会减少这个问题，但存在一个数字相位GyD.F4y2Ba不确定关系GyD.F4y2Ba这意味着随着光子的数量变得更加确定，光的阶段将变得更加不确定，这也将对测量菌株产生问题，如下所述。GyD.F4y2Ba

通过利用光具有相位的事实来测量每个臂中的镜子之间的变化位移。如果镜子之间的距离随着微小量而增加，则臂中的激光将在撞击镜子之前行进一点额外的波长，因此将移位其GyD.F4y2Ba相位角GyD.F4y2Ba轻微地。在先进的LIGO中，每个腔中的激光从每个臂的端到端重复循环，每次拾取小相积累。这最终将任何引力波应变放大三百倍[6]。GyD.F4y2Ba

最后，梁在分束器处重新组合。由于累积的相移，光的波状本性将导致GyD.F4y2Ba干扰GyD.F4y2Ba图案在光电探测器上。从这种干涉图案中，可以测量镜子的位移以及因此可以测量引力波的应变。GyD.F4y2Ba

下面是在黑洞合并的过程中，在整个过程中，先进的Ligo检测器中的应变的理论预期信号的曲线图。当结合之前，作为黑洞迅速迅速迅速，振荡爆裂的快速振荡爆裂为稳定状态。GyD.F4y2Ba

当黑洞分离减小时，黑洞彼此快速旋转，在大突发中释放朝向检测器的重力波[6]。GyD.F4y2Ba

最后给出了在Advanced LIGO上的实验观测数据。正如所示，不仅数据与模型吻合得很好，而且实际上GyD.F4y2Ba黑洞合并的声音可以直接在一种特有的“啁啾”噪声中听到GyD.F4y2Ba由于二进制黑洞系统在合并之前在其最终瞬间释放了大量的重力波爆发。GyD.F4y2Ba

左上:华盛顿探测器随时间变化的压力。右上:路易斯安那探测器的应变随时间变化，华盛顿探测器的数据叠加在一起。第二行:这个双黑洞合并信号随时间变化的广义相对论理论模型。第三行:本质上是随机残差图，表明没有严重的系统误差。最后一行:每个探测器中引力波信号随时间变化的频谱。随着时间的推移，最强的频率信号增加，对应于“啁啾”噪声[6]。GyD.F4y2Ba

这个信号显示出与从广义相对论方程数值计算得到的理论模型相当显著和美丽的一致。据计算，参与合并的黑洞具有质量GyD.F4y2Ba $29 ^ {+ 4} _ { - 4}GyD.F4y2Ba$和GyD.F4y2Ba $36 ^ {+ 5} _ { - 4}GyD.F4y2Ba$倍的太阳的质量，最终合并的黑洞质量GyD.F4y2Ba $62 ^ {+ 4} _ { - 4}GyD.F4y2Ba$倍的阳光质量。因此，在利波观察到的引力波突发，因此包含了三种太阳能群众的能量，并记住了爱因斯坦在质量和能量之间的转换GyD.F4y2Ba $e = mc ^ 2GyD.F4y2Ba$．信号强度具有统计学意义GyD.F4y2Ba $5.1 \，\ sigmaGyD.F4y2Ba$，表示该信号为假阳性的概率为GyD.F4y2Ba $0.000036 \％GyD.F4y2Ba$．如先进的利戈的纸张所引用，“这是重力波动的首次直接检测，以及二进制黑洞合并的首次观察”[6]。GyD.F4y2Ba

在GyD.F4y2Ba一般相对论GyD.F4y2Ba，测量距离随空间和时间函数的方式改变的方式由名为a的数学对象编码GyD.F4y2Ba公制GyD.F4y2Ba．要了解引力的数学，必须了解度量标准是什么以及它是如何表示的。这是一个简短的摘要：度量是矩阵，其组件描述了测量距离正在发生变化的因素。通常，度量的组件是空间和时间的函数。引力波将变成遵守波动方程的时空的平坦度量的扰动。GyD.F4y2Ba

明确地，引力波以平坦的Minkowski公制的扰动表示为扰动，即，指标被写为GyD.F4y2Ba

$g _ {\ mu \ nu} = \ eta _ {\ mu \ nu} + h _ {\ mu \ nu}，GyD.F4y2Ba$

在哪里GyD.F4y2Ba $\ eta _ {\ mu \ nu}GyD.F4y2Ba$是minkowski指标GyD.F4y2Ba $\ text {diag}（-1,1,1,1）GyD.F4y2Ba$和GyD.F4y2Ba $h _ {\ mu \ nu}GyD.F4y2Ba$是一个小的扰动，即每个组分的数量小于一个。这GyD.F4y2Ba不变的间隔GyD.F4y2Ba对于完整的公制GyD.F4y2Ba $g _ {\ mu \ nu}GyD.F4y2Ba$可以写如下[4]：GyD.F4y2Ba

$DS ^ 2 = - （1 + 2 \ phi）dt ^ 2 + w_i \ big（dt dx ^ i + dx ^ i dt \ big）+ \ big [（1-2 \ psi）\ delta_ {ij} + 2s_{ij} \ big] dx ^ i dx ^ j，GyD.F4y2Ba$

在哪里GyD.F4y2Ba $\φGyD.F4y2Ba$那GyD.F4y2Ba $W_I.GyD.F4y2Ba$那GyD.F4y2Ba $\ psi.GyD.F4y2Ba$,GyD.F4y2Ba $s_ {ij}GyD.F4y2Ba$描述不同可能的扰动类型。的摄动GyD.F4y2Ba $s_ {ij}GyD.F4y2Ba$一个没有痕迹的对称张量会代表引力波或它们的组成粒子吗GyD.F4y2Ba格雷顿GyD.F4y2Ba．因为GyD.F4y2Ba $s_ {ij}GyD.F4y2Ba$是一个矩阵，它通常被称为GyD.F4y2Ba张量扰动GyD.F4y2Ba到公制;它不无意无愧，因为它的痕迹已经分成了GyD.F4y2Ba $\ delta_ {ij}GyD.F4y2Ba$以上术语。计算自由度是一个有趣的问题GyD.F4y2Ba $s_ {ij}GyD.F4y2Ba$，如下面的问题所示，因为这是如何识别字符串的重力模式GyD.F4y2Ba弦理论GyD.F4y2Ba．GyD.F4y2Ba

在一个特别好的坐标系中调用GyD.F4y2Ba横向仪表GyD.F4y2Ba，插入此度量GyD.F4y2Ba爱因斯坦方程GyD.F4y2Ba除了Zhea之外，给所有扰动都是零GyD.F4y2Ba $s_ {ij}GyD.F4y2Ba$，满足了GyD.F4y2Ba波浪方程GyD.F4y2Ba

$\ box s_ {ij} = 0 \ iff \ frac {1} {c ^ 2} \ frac {\ partial ^ 2 s_ {ij}} {\ partial t ^ 2} = \ frac {\ partial ^ 2 s_ {ij}}}}} {\ partial x ^ 2} + \ frac {\ partial ^ 2 s_ {ij}} {\ partial y ^ 2} + \ frac {\ partial ^ 2 s_ {ij}} {\ partial z ^ 2}。GyD.F4y2Ba$

除了所有扰动之外GyD.F4y2Ba $s_ {ij}GyD.F4y2Ba$在这个规格中为零，它只是与之合作GyD.F4y2Ba $h _ {\ mu \ nu}GyD.F4y2Ba$就像矩阵一样GyD.F4y2Ba

$h _ {\ mu \ nu} = \ begin {pmatrix} 0＆0＆0＆0 \\ 0 &&& \\ 0 && 2s_ {ij}＆\\ 0 &&& \ neg {pmatrix}。GyD.F4y2Ba$

的组件GyD.F4y2Ba $h _ {\ mu \ nu}GyD.F4y2Ba$，即成分GyD.F4y2Ba $s_ {ij}GyD.F4y2Ba$，正是菌株GyD.F4y2Ba $HGyD.F4y2Ba$上面提到的，但每个组件的方向不同。“GyD.F4y2Ba $+GyD.F4y2Ba$“ 和 ”GyD.F4y2Ba $\时代GyD.F4y2Ba$“上面讨论的偏振是指这些菌株的两个可能的作用GyD.F4y2Ba大动测量GyD.F4y2Ba在这种扰动度量中移动的粒子。可以计算使用这种形式主义和更广泛的数学，可以计算作为空间和时间和由二进制黑洞系统辐射的空间和时间和功率的函数的菌株幅度引用的式的公式。GyD.F4y2Ba

[1]图片来自https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_wave，在知识共享许可下重用和修改。GyD.F4y2Ba

[2] K. McLin, C. Peruta, L. Cominsky。GyD.F4y2Ba直接观察引力波：教育者指南GyD.F4y2Ba．SSU教育和公开外联集团，索诺玛州立大学，Rohnert Park，CA。https://dcc.ligo.org/public/0123/p1600015/004/ligoedguide_final.pdf.GyD.F4y2Ba

[3]“诺贝尔物理学奖2017年”。nobelprize.org。诺贝尔媒体AB 2014.网。2017年10月4日。GyD.F4y2Ba

[4] Carroll，Sean。GyD.F4y2Ba《时空与几何:广义相对论导论》GyD.F4y2Ba．旧金山：Pearson，2004。GyD.F4y2Ba

[5] Weisberg，J.M .;泰勒，J.H.（2005年7月）。GyD.F4y2Ba相对论二元脉冲布B1913 + 16：三十年的观察和分析GyD.F4y2Ba．写于美国科罗拉多州的阿斯彭。在粮农组织Rasio;I.H.楼梯。二进制射电脉冲星。ASP系列会议。旧金山:太平洋天文学会。25页。GyD.F4y2Ba

[6] B.P.Abbott等人。GyD.F4y2Ba从二元黑洞合并中观察引力波GyD.F4y2Ba．PRL.GyD.F4y2Ba116.GyD.F4y2Ba，061102（2016）。GyD.F4y2Ba

[7] B.P.Abbott等人。GyD.F4y2Ba在量子基态附近观察公斤级振荡器GyD.F4y2Ba．物理，第11卷，2009年7月的新杂志http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/11/7/073032/meta;jsessionid=DC52784888F8C04DC86C16069DE35826.c2.iopscience.cld.iop.orgGyD.F4y2Ba