前两天刷屏的引力波，未来可能有这些发展前景

2016-02-15 17:05:31 | 来源：玩转帮会 | 投稿：佚名 | 编辑：dations

原标题：前两天刷屏的引力波，未来可能有这些发展前景

我先简单说几句立即能想到的。

短期内，摆在 LIGO 和其他类似激光干涉引力波实验项目面前的大概有这么几个事：

1、继续提升灵敏度

LIGO 发现的第一个引力波事件，其实也就看到了并合之前七八个波峰，ringdown 的部分，号称是看到了，其实看到的东西跟噪声也差不多了。所以 LIGO 还是得继续把 advanced-LIGO 的升级继续做好，灵敏度进一步改善后，往前，可以争取到更长的事件预警时间；往后，可以把 ringdown 过程看的更细致，有助于检验黑洞物理。当然更好的灵敏度可以带来更多的事件样本，做做统计可以检验 lambda-CDM+ 恒星演化模型给出的预测准不准。

2、建更多的站，实现全球组网

包括 VIRGO、GEO、KAGRA、LIGO-India 等等，都得加紧上了。组网的好处：

1）提升灵敏度：不多说了。

2）改善对不同方向的响应能力：激光干涉仪对不同方向的响应灵敏度是不一样的，对垂直于 L 型臂平面方向上的引力波事件无法产生响应。所以得利用地球曲率，在各个大陆放置干涉仪站点，来补全各方向响应能力。

3）改善定位：1 个站，定位是全球面；2 个站，定位是一个圆；3 个站，定位是两块天区；4 个站，才能唯一的确定引力波源的方向。定位定准了，才有可能开展后续电磁观测。

3、实现和电磁波段的联合观测

引力波窗口提供的信息固然前所未有，不过电磁波段才是天文学家的老本行。加上电磁波段的信息，才能完整了解产生引力波的天体物理事件的全面信息。前面已经说了，现在开展电磁跟进最大的问题：

1）预警时间太短：不过考虑到超新星、伽马暴的跟进观测往往也要等一阵子才能跟上，这个也许不算太太太严重的问题。

电磁波段现象的时标取决于相关天体物理现象的物理尺度，像双黑洞并合这种事件，可能早在并合之前很久，两个黑洞的吸积盘的相互作用已经进行完了？——不清楚到黑洞并合时，这些吸积盘的相互作用是不是还在进行。如果只是两个*黑洞并合，周围不受什么影响，那也许电磁波段也看不到什么；如果两个黑洞吸积盘有持续相互作用或有历史相互作用留下的余晖，那也许能看到一些东西。

2）定位不准：位置不准，上哪找去。

中期：

1、拓展引力波探测的频率覆盖

LISA、天琴之类的，需要 10-20 年才能有所发现。脉冲星计时阵列的观测，FAST、SKA 都会有所贡献，FAST 今年 9 月建成，一两年就会有产出，SKA 那就得是 5-10 年以上了。当然其他一些现有设备也能做脉冲星计时，这里说 FAST 和 SKA，主要是它们灵敏度拔群，能有效提升已知脉冲星的数量，为建立脉冲星计时阵列提供更大的样本，所以可以作为 milestone 来预判这件事的节奏。原初引力波，等 BICEP-3 吧。

这些都上，可以更全面的覆盖引力波的各段频率。不同频率对应的主要天体物理现象不同，频率覆盖好了，能参与引力波天文学研究的天体物理分支也就多了。另外也许对同一天体物理现象，不同频率的引力波观测也可以“联合”，比如低频观测也许也可以去看恒星级质量双黑洞在离并合还有很长时间时的状态，也许可以揭示双黑洞并合事件的早期历史，这样跟并合一瞬间的信息结合起来，了解的就更全面。

2、实现对双星并合以外的引力波事件的观测

双黑洞并合之所以最早被发现，是因为波形太有特点了，不容易认错。其他一些可能产生引力波的事件，比如超新星爆发，产生的波形可能就比较单调，我猜也就比较容易认错，或者说即使有了，也“不敢认”。要想“敢认”可能还是前面说的，提高灵敏度，把波形更精确的做出来，以及跟电磁波、中微子之类的进行联合观测，用旁证辅助判断。

这可能也是对做数值模拟的、做信号处理和提取的人的一个考验。能找到双黑洞，前提是有人已经把双黑洞的波形做成模板库。那对波形相对不那么好认的一些类型的事件，就需要做数值模拟的人给出更靠谱的波形，需要做信号处理的人想出不依赖已知模板而进行判断的方法。

3、提供独立的宇宙学标准烛光

引力波强度的衰减随距离的一次方下降，跟电磁波的二次方相比，是很慢了。这样相比电磁波窗口，在引力波窗口中能更容易的探测到较远距离的事件，所以引力波应当可以成为宇宙学的好工具。

长期：

1、引力波源的全天巡天与监测

等信噪比提升到一定程度，也许听到的引力波宇宙就不是今天响一声，明天响一声了，而是一直在吵闹的市井。怎么从这一大堆都是信号的“噪声”中把信号分离开，也许是几十年后引力波天文学家需要处理的问题。

直观的思路是可以从方向分布上去做文章。站点多了、信噪比上去了、方向覆盖没问题了，就可以像 SKA 低频阵，或者像相控阵雷达一样，对全天的引力波源进行全天区、全天候的监测了。

也许到时候，不光强引力波事件可以得到监听，弱引力波源也可以得到监听。比如星系里海量恒星绕星系中心的转动，虽然每个都很弱，加一块也许可以一搏（我估算得到整个星系的恒星绕转产生的引力波强度跟两个恒星级黑洞并合前的引力波强度差不多在一个量级——当然是在极低频处，求有人帮验算）。这样引力波也许也可以成为研究星系动力学的一个工具。

2、我编不下去了

给几个严肃一点的材料，自己看吧，比我说的靠谱多了：

这两天刚刚挂到 arXiv 上的，引力波天文学的现状：http://120.52.73.79/arxiv.org/pdf/1602.02872v1.pdf

前几年“国际引力波共同体”（GWIC）出的一个文档，“引力波天文学的未来”：

https://gwic.ligo.org/roadmap/Roadmap_110726_WEB.pdf

科学美国人刚出的评论“引力波天文学的未来”：

The Future of Gravitational Wave Astronomy

我不是做引力波的，也就是最近几个月给别人做科普之前先自我科普一番，积累了一点浅薄的认识。抛砖引玉，欢迎批评。

敬请关注“青年天文教师连线”微信公众号（TeachForAstro）

在可预见的未来，引力波应用仍然是天文观测。由于引力波的产生需要很极端的条件，人类活动无法产生实用的引力波。

引力波天文学是继电磁波，中微子之后的一扇全新的窗户，也是天文观测的最后一块空白。引力波的特点使它可以提供其它手段无法获得的信息。引力波是机械运动产生的波，它反映的是质量分布的变化；由于万有引力是所有相互作用最弱的，这一方面导致引力波极端难以产生和探测，另一方面也赋予了它最强的穿透力，甚至强过中微子。这些特点使它可以用于以下场合：

黑洞合并

黑洞合并是重要的天文现象，也是公认的最强的引力波源，特别是星系合并带来的核心巨型黑洞的合并。理想状态下黑洞只是一个强引力源，因此黑洞的合并只会辐射引力波。实际中由于黑洞会吸积星际物质产生电磁辐射，我们可以通过电磁波（主要是 X 射线）间接观测黑洞合并的事件，但这种手段提供的信息很有限（只能告诉我们有两个黑洞合并了，不能告诉我们它们怎么合并）。

这几年随着计算相对论（Numerical Relativity）的发展，人类对黑洞合并可以进行比较准确的模拟，并预言了一些现象，比如引力辐射的能量，黑洞角动量的进动，以及 Black hole recoil（不会翻译，大概是两个黑洞合并通过辐射引力波获得极高的反冲速度，达到每秒 5000 千米）。如果能对引力波的波形进行分析，我们可以验证这些预测，进而验证广义相对论，同时还能对星系的演化有更深的认识。

超新星爆炸

超新星爆炸也是引力波理论上的重要来源。尽管超新星可以很容易通过电磁波，中微子观测到，引力波可以提供一些独特的细节。由于引力波只反映了质量分布的变化，我们可以获得超新星物质运动的宏观信息。引力波可以轻易的穿透恒星的外层物质，几乎不发生衰减和畸变，我们可以了解超新星内部的情况。这些对天体物理，恒星演化有着极其重要的意义。

中子星—中子星 / 黑洞碰撞

中子星—中子星和中子星—黑洞的碰撞目前还没有被天文观测所证实，尽管理论认为它们是短伽马射线暴的来源。如果我们能在短伽马射线暴的同时探测到相关的引力波信号，这将会证实中子星与伽马射线暴的关系，同时大大推进相关领域的认识。

由于强相互作用的复杂性，人们对中子星的内部构造仍然缺乏认识。目前仍然缺乏好的中子简并态物质的状态方程（Equation of state，描述物质温度，压强与密度的关系式，如理想气体状态方程），如果能分析中子星与中子星或黑洞碰撞的引力波的波形，我们可以更好的修正状态方程，从而促进量子色动力学（描述强相互作用的理论）的发展。此外不少理论认为中子星的碰撞是宇宙中重元素（如金，铀）的主要来源，对中子星碰撞的深入了解可以促进元素合成理论的发展。

宇宙大爆炸早期，暴涨过程

目前人类对宇宙早期的认识主要来自宇宙微波背景辐射（CMB）。然而早期的宇宙是高密度的等离子汤，对电磁波不透明，因此 CMB 只能反映宇宙诞生 38 万年之后的事。然而，由于引力波有极强的穿透性，可以畅通无阻的穿过早期的等离子汤，因而可以记录宇宙大爆炸早期的事件，如暴涨。科学家相信存在这样的“引力波背景辐射”，即原初引力波（primodial gravitational wave）。

值得一提的是，2014 年闹得沸沸扬扬的 BICEP II 就是关于原初引力波的。尽管该实验最后被否定了，但精度更高的 BICEP III 已经上线。如果能发现原初引力波，可以极大的促进宇宙学，量子引力等理论的发展。

需要说明的是，由于大部分引力波源产生的引力波的波长很长，而且受制于观测手段，引力波观测只能分析波形，而不能进行成像。也就是只能“听”不能“看”。我不知道未来能不能对引力波进行成像。

太激动了！今天 23:30，LIGO 团队宣布发现引力波的证据，文章发表在 PRL 上！历时 100 年的追寻终于有了结果，人类从此进入引力波天文学的时代！

祝贺 LIGO 团队！也感谢一直以来为寻找引力波辛勤付出的研究者们！荣誉属于你们！

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