引力波是时空中“涟漪”，是由宇宙中某些最剧烈和充满活力的过程引起的波纹。在年，爱因斯坦（AlbertEinstein）在其相对论的一般理论中预言了引力波的存在。爱因斯坦的数学计算表明，巨大的加速物体（例如中子星或彼此绕轨道运行的黑洞）会破坏时空，从而使时空起伏的“涟漪”向远离源的所有方向传播。这些宇宙波将以光速传播，并携带有关其起源的信息以及有关引力本身性质的线索。

最强的引力波由灾难性事件产生，例如黑洞碰撞，超新星（大质量恒星在其寿命尽头爆炸）和中子星碰撞。预计其他波是由不是完美球体的中子星的旋转引起的，甚至可能是由大爆炸所产生的引力辐射的残余引起的。

下面的动画说明了两个中子星相互绕行并聚结时如何发射引力波。请注意，引力波本身是不可见的。在此处使它们可见，目的是形象说明它们从源头传播出去。

尽管爱因斯坦在年预测了引力波的存在，但直到爱因斯坦去世20年后的年，才出现了引力波的第一个证据。那年，两名在波多黎分别使用阿雷西博天无线电台的天文学家发现了一个双星脉冲星，该双星脉冲星辐射发出的波，正是广义相对论预测的这种系统应该辐射出的引力波。知道这一发现与爱因斯坦的大胆预测相吻合之后，天文学家开始测量恒星的轨道如何随时间变化。经过八年的观察，他们确定，如果恒星发出引力波，它们正以广义相对论所预测的速率精确地彼此靠近。

从那时起，许多天文学家开始对脉冲星的辐射的无线电研究（脉冲星是发射无线电波束的中子星），并发现了类似的作用，从而进一步证实了引力波的存在。但是这些确认总是间接地或数学地而不是通过直接接触来证实引力波的存在。

所有这些都在年9月14日发生了变化，当时激光干涉引力波天文台（LIGO）物理感应到时空的波纹，该波纹由两个相距13亿光年的碰撞黑洞产生的引力波引起。激光干涉引力波天文台（LIGO）发现引力波成为人类最伟大的科学成就之一，载入史册。

尽管产生引力波的过程可能非常剧烈且具有破坏性，但当波到达地球时，它们的体积要小数千亿倍！实际上，当激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探测到引力波到达我们地球时，它们所产生的时空摆动量比原子核小倍！激光干涉引力波天文台（LIGO）旨在进行如此难以想象的微小测量。

为什么要检测引力波？

从历史上看，科学家几乎完全依靠电磁（EM）辐射（可见光、X射线、无线电波，微波等）来研究宇宙。一些人也试图使用被称为中微子的亚原子粒子来研究宇宙。这些信息的“信使”中的每一个都为科学家提供了对宇宙的不同但互补的看法。

然而，引力波与电磁辐射完全无关。它们与光的区别类似于人类听力与视觉的区别一样。我们可以把人类想象成只有眼睛而没有耳朵的物种。通过研究物体的光线，您可以了解很多关于周围世界的知识。然后有一天，某人发明了一种他们称之为耳朵的东西。该设备可感应到您以前不知道的空气或水中的振动。这只耳朵打开了一个全新的观察领域，这些是通过对电磁辐射研究无法获得的东西！激光干涉引力波天文台（LIGO）是一种能够在时空“媒介”中检测振动的天线，类似于人耳，可以检测空气或水等介质中的振动。

激光干涉引力波天文台（LIGO）通过这种方式在宇宙上打开了一个新的“窗口”。碰撞的黑洞之类的东西对于电磁天文学家完全看不见。对激光干涉引力波天文台（LIGO）而言，此类事件是浩瀚宇宙海中的信标。

更重要的是，由于引力波与物质的相互作用非常弱（与电磁辐射不同，电磁辐射可以被吸收，反射，折射或弯曲），因此引力波几乎不受阻碍地穿过宇宙，从而使我们对引力波宇宙有了清晰的认识。这些波携带了有关其起源的信息，这些信息不包含电磁辐射穿越星际空间时所遭受的扭曲或变化。

激光干涉引力波天文台（LIGO）探测到的引力波是由宇宙中一些最活跃的事件引起——黑洞碰撞，中子星合并，超新星，甚至可能是宇宙本身的诞生。对引力波携带的信息进行检测和分析，使我们能够以前所未有的方式观察宇宙，从而为天文学家和其他科学家提供了前所未有宇宙奇观信息。激光干涉引力波天文台（LIGO）揭开了关于宇宙的神秘面纱，并在物理，天文学和天体物理学领域引发了令人兴奋的新研究。

引力波的来源和类型

每个加速的大质量物体都会产生引力波。这包括人，汽车，飞机等，但是地球上物体的质量和加速度太小，以至于无法使引力波大到足以用我们的仪器检测到。为了找到足够大的引力波，我们必须将目光移到太阳系之外。

事实证明，宇宙中充满了难以置信的巨大物体，这些物体会经历快速加速，其本质上会产生引力波，而我们实际上可以检测到这些引力波。诸如黑洞间碰撞和中子星间碰撞或成对的大质量恒星在其生命的尽头形成的爆炸，这些剧烈天文事件都会产生引力波。激光干涉引力波天文台（LIGO）的科学家根据产生它们的方式将引力波定义为四类：连续波，致密双星吸气波和突发波。每个类别的物体都会产生一组独特或特征性的信号，激光干涉引力波天文台（LIGO）的干涉仪可以感知这些信号，研究人员可以在LIGO的数据中寻找它们。

连续引力波

连续引力波被认为是由单个旋转的大质量物体（如中子星）产生的。这颗恒星的球形上的任何凹凸或不完美都会在旋转时产生引力波。如果恒星的自旋速率保持恒定，那么它发出的引力波也将保持恒定。也就是说，引力波的频率和振幅是连续相同。这就是为什么这些被称为“连续引力波”的原因。

研究人员已经创建了模拟，模拟了将检测到的激光干涉引力波天文台（LIGO）信号转换为声音，从而实现用声音记录不同的连续引力波。

紧凑型双星系统引力波

激光干涉引力波天文台（LIGO）正在寻找的下一类引力波是紧凑型双星系统引力波。到目前为止，LIGO已检测到的所有物体均属于此类。紧凑型双星系统引力波是由成对的大质量和密集（“紧凑”）物体（如白矮星、黑洞和中子星）绕行而产生的。在这种引力波发生器类别中，有“紧凑双星”系统的三个子类：

双中子星（BNS）双黑洞（BBH）中子星-黑洞（NSBH）每个双系统对应创建一个独特的引力波模式，但是在所有三个对中，波的产生机理是相同的。

吸气发生于数百万年，因为成对的密集紧凑物体彼此围绕旋转。当它们绕轨道运行时，它们发出引力波，这些引力波带走了系统的一些轨道能量。结果，在无数个世纪中，物体绕在一起的轨道越来越近。不幸的是，靠近它们会使它们彼此更快地绕轨道运行，使它们发出更强的引力波，从而使它们失去更多的轨道能量，越来越近，移动得更快，失去更多的能量，彼此越靠近，绕得更快……等等，这些物体注定要被不可避免地锁定在一个失控的加速螺旋形怀抱中。

这种加速的旋转过程类似于旋转的花样滑冰运动员。想象一下，运动员伸出的拳头是中子星或黑洞，而运动员的身体如引力将它们束缚在一起。当旋转的运动员将拳头拉向身体时（即，当物体绕轨道越来越近时），它们旋转得越来越快。但是，与溜冰运动员不同，成对的中子星或黑洞无法阻止其旋转。发射引力波并越来越近地绕轨道运行的过程，引发了一系列不可阻挡的事件，这些事件只能在两个物体碰撞时结束。

激光干涉引力波天文台（LIGO）的仪器旨在检测引力波在指定范围内的频率，就像人耳对一定范围的声音频率敏感一样。这意味着激光干涉引力波天文台（LIGO）无法检测到超出此频率范围（太低或太高）的轨道运动。但是，随着轨道上的物体靠近在一起，它们绕轨道运行的速度越来越快，这意味着最终，这些物体将开始彼此足够快地绕轨道运行，以使它们发出的引力波落在我们的探测敏感范围内。但是，它们在该频率范围内绕行的时间通常非常短。

所涉及的物体的质量决定了它们发射可检测到的引力波的时间。质量大的物体（如黑洞）比“较轻的”物体（如中子星）更快地移动到其最终的吸气阶段。这意味着，激光干涉引力波天文台（LIGO）中的黑洞合并信号比中子星合并信号要短得多，而且差异非常明显。例如，激光干涉引力波天文台（LIGO）检测到的第一对合并的黑洞产生的信号只有十分之一秒的时间。相比之下，年8月，激光干涉引力波天文台（LIGO）发现的第一次中子星合并，引力波在我们的仪器中产生了超过秒长的信号。

激光干涉引力波天文台（LIGO）可以将其时空失真信号转换成可听见的声音，称为“chi”，因此我们可以在某种意义上“听到”两个黑洞和两个中子星生命的最后时刻发出的“声音”。这些物体已经相互绕行了数十亿年。激光干涉引力波天文台（LIGO）会同时捕获该生命周期的最后一秒或几秒钟。

不同的合并对象系统会在在干涉仪中显示独特的特征。信号越短，意味着涉及的物体质量越大，例如黑洞。较长的信号表明质量较小的物体，例如中子星。

迄今为止，激光干涉引力波天文台（LIGO）已发布了由10对正在合并的黑洞和两对碰撞的中子星产生的引力波的检测方法。自年4月1日以来，已经进行了数十次检测，使激光干涉引力波天文台（LIGO）科学家忙于分析数据以了解这些检测的真实性质。

激光干涉引力波天文台（LIGO）的巨大成功掩盖了一个事实，那就是它的仪器必须承受来自周围环境的压力，以感测地球上一切事物所产生的恒定噪音，包括激光束本身的内部波动，附近道路上的交通，天气以及世界各地发生的地震。

突发引力波

寻找“突发引力波”就是在寻找意想不到的东西——这既是因为LIGO尚未探测到它们，而且仍然有很多未知数，到目前为止，我们真的不知道发生了什么！例如，有时我们对系统的物理知识了解不足，无法预测来自该源的引力波将如何出现。

要搜索这些引力波，我们不能假设它们具有像连续和紧凑型双星系统引力波一样的明确定义的属性。这意味着我们不能将我们的分析局限于只搜索科学家预测的引力波的特征。

寻找突发引力波需要完全开放我们思路。对于这些类型的引力波，科学家必须弄清楚信号模式，即使这种模式以前没有建模（我们认为信号可能是什么样子）。如果你不知道自己在找什么，就很难找到它。虽然这使得搜索突发引力波变得困难，但探测它们的最大潜力是揭示有关宇宙的革命性信息。