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迄今为止，LIGO和Virgo引力波天文台已经在宇宙中直接探测到11起引力波事件。不过，这些引力波源距离地球非常遥远，都在河外星系中，例如，第一个被探测到的引力波源（双黑洞合并）距离地球13亿光年，第一个双中子星引力波源距离地球1.3亿光年。 那么，为什么目前探测到的引力波源都在遥远的宇宙中呢？为什么我们没有在银河系中探测到引力波呢？ LIGO和Virgo有两条长达三四公里并且互相垂直的干涉臂，其中近乎完全真空的状态。相同频率的激光被分光器沿着两条干涉臂被分开，激光沿着干涉臂运动，并被来回反射若干次，最后重新组合在一起。 光是电磁波，把各种光波结合在一起，就会产生干涉图样，相干干涉和相消干涉会有不同的干涉图样。在没有排除外界干扰和引力波通过干涉臂的情况下，LIGO和Virgo中的光所产生的干涉条纹保持稳定。 然而，如果引力波穿过干涉臂，由于空间波动会导致其中一条干涉臂被拉长，另一条被压缩，两条干涉臂的长度将会变得略微不同。在这种情况下，两条干涉臂中的光到达接收器的时间就会变得不同，所以干涉条纹就会发生变化。 有两个关键因素使我们能够排除地球上的噪音干扰，确认探测到的是引力波。（1）当引力波通过探测器时，将导致两条干涉臂在相反的方向上改变长度，其变化是一个特定的同相量。当观测到干涉臂的长度出现周期性变化时，可以比较肯定是引力波。（2）另外，天文学家在地球上不同的地方建立了多个引力波探测器。虽然每个探测器都将会因为所处的局部环境不同而受到不同噪声的干扰，但经过的引力波对每个探测器的影响非常相似，最多相隔几毫秒。综合两个关键因素，可以使天文学家确认探测到引力波，2015年第一次探测到的引力波GW150914都符合上述的情况。 能够产生强大引力波的事件非常罕见，因为只有在两个黑洞或者中子星碰撞之前的最后角秒或者几毫秒，这样才有合适的特性被地球上最敏感的引力探测器捕捉到。正因为如此，自2015年来到现在，人类才探测到11起引力波源，引力波事件似乎是随机发生的。 虽然引力波探测器对离地球越近的引力波源越敏感，但目前发现的大多数引力波源都远在数亿光年甚至数十亿光年之外。这是为什么呢？我们不应该更频繁地探测到附近的引力波源吗？ 这会不会是因为我们的观测角度不对，刚好错过引力波呢？这就好比我们想要在地球上探测到脉冲星，那么，脉冲星的磁轴就必须要扫过地球。 这种假设不成立，因为忽略了引力和电磁力之间的根本区别。在电磁学中，带电粒子的加速度产生电磁辐射，或者说光。在广义相对论中，有质量物体在空间中的加速运动产生引力波。然而，电磁辐射的产生具有方向性，而引力波的产生没有方向性，它们会以球形的方式朝向空间各个方向辐射出去。因此，无论从引力波源的那个方向观测，都能探测到相同频率和振幅的引力波。 既然没有观测方向上的偶然性，那么，为什么我们在自己的星系中没有探测到来自双星源的引力波呢？ 事实上，我们的银河系中也存在互相绕行的双黑洞和双中子星系统。在它们互相绕行过程中，辐射出的引力波（非常微弱）会带走一部分轨道能量，从而使它们逐渐旋进，轨道半径越来越小。 早在引力波被直接探测到之前，天文学家在银河系中发现了一种曾经被认为极其罕见的系统——双脉冲星系统。通过观测脉冲时间的变化，显示出它们的轨道由于引力辐射而衰减。对多个双脉冲星系统进行精确测量之后，天文学家都能看到轨道衰变，这表明它们在发射引力波。 类似地，天文学家观测到一种特殊的X射线源，表明其中一定存在黑洞。天文学家还发现了X射线双星系统——两个黑洞相在轨道上互相绕行，辐射出的X射线揭示了两个组成部分的质量。 这些双星系统其实在银河系中不难发现，它们产生的引力波也在不断穿过地球上的引力波探测器。之所以我们还未曾探测到它们，原因很简单，引力波探测器在错误的频率范围内。 只有在双星合并的最后时刻，辐射出的足够强大引力波才会落入LIGO和Virgo的敏感范围。在中子星或黑洞围绕彼此运行的数千万年甚至数十亿年时间里，它们的轨道在不断衰减，径向分离越大，这意味着它们围绕彼此运行的时间越长，引力波的频率越低，所以LIGO和Virgo无法探测到。 除非LIGO和Virgo的干涉臂长度达到几百万公里，而不是现在的3至4公里，它们才有能力探测到银河系中的双黑洞或者双中子星互相绕行时所辐射出的引力波。就目前的情况来看，激光干涉空间天线（LISA）将有能力来探测银河系中的引力波，并且能够预测引力波会出现在何时何地。LISA在太空中，三个特殊的太空探测器组成一个边长为500万公里的等边三角形，所以LISA的灵敏度将会远高于LIGO和Virgo。 自LIGO和Virgo运行以来，还没有在银河系中发现任何的双黑洞或双中子星合并。这并不奇怪，因为这种强大的引力波事件非常罕见。据估计，可观测宇宙中每年大约有80万个正在合并的双黑洞系统。但是宇宙中有多达两万亿个星系，这意味着我们需要观察数百万个星系才能探测到一个引力波源。 总之，如果人类能够建造出更灵敏、频率更低的引力波天文台，我们就有可能直接探测到银河系内部的引力波源，因为银河系中有不少的中子星和黑洞相互环绕。但想要探测到双星合并事件很困难，因为这种事件十分罕见，双星轨道衰减需要非常漫长的时间，通常长达上亿年。 |
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