引力波探测的昨天、今天和明天

1974年，美国麻省大学阿默斯特分校的物理学家约瑟夫·泰勒和拉塞尔·赫尔斯使用阿雷西博射电望远镜，发现了由两颗质量大致与太阳相当的中子星组成的相互旋绕的双星系统——PSR1913+16。

根据广义相对论，当两个致密星体近距离彼此绕旋时，该体系会产生引力辐射。辐射出的引力波带走能量，所以系统总能量会越来越少，轨道半径和周期也会变短。

泰勒和赫尔斯在之后的30年时间里，对PSR1913+16做了持续观测，观测结果精确地按广义相对论所预测的那样：周期变化率为每年减少76.5微秒，半长轴每年缩短3.5米。这是人类第一次得到引力波存在的间接证据，也是对广义相对论引力理论的一项重要验证。1993年，赫尔斯和泰勒因发现那对脉冲星获得诺贝尔物理学奖。

在实验方面，第一个对直接探测引力波作伟大尝试的人是约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）。韦伯选择了一根长2米，直径0.5米，重约1吨的圆柱形铝棒，其侧面指向引力波到来的方向。当引力波到来时，铝棒两端会受到交错挤压和拉伸，当引力波频率和铝棒设计频率一致时，铝棒会发生共振，贴在铝棒表面的晶片会产生相应的电压信号。

但是，共振棒探测器也具有局限性：探测器做得越长，引力波在该探测器上的作用产生的畸变量就越大。而韦伯的共振棒探测器只有2米，强度为1E-21的引力波在这个长度上的应变量(2E-21米)实在太小，以目前人类的科技水平，探测如此之小的长度变化是几乎不可能的。

针对上述问题，麻省理工学院的雷纳·韦斯（Rainer Weiss）以及马里布休斯实验室的罗伯特·福沃德（Robert Forward）在上世纪70年代建成了基于迈克尔逊干涉仪原理的引力波激光干涉仪。激光干涉仪对于共振棒的优势显而易见：首先，激光干涉仪可以探测一定频率范围的引力波信号；其次，激光干涉仪的臂长可以做得很长，比如地面引力波干涉仪的臂长一般在千米的量级，远远超过共振棒。人类首次探测到引力波信号的LIGO探测器（Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory）就是激光干涉仪。

自从LIGO探测器发现那些激动人心的现象后，人们更关心如何拓宽引力波探测的频率范围，于是美国西北大学的研究人员希望制作一种叫悬浮探测器（Levitated Sensor Detector）的新型引力波探测器。他们准备将用激光使真空腔中的玻璃珠悬在半空中，构成一个臂长仅为1米的力量感应器。这种感应器灵敏度极高，可以用来观测原初黑洞发出的引力波回响。

近年来，我国科学家也提出了“天琴计划”与“太极计划”等空间引力波探测项目以及阿里原初引力波探测计划。目前，“天琴一号”卫星与“太极一号”卫星已经发射升空，天琴将打开10-4~1Hz频段的引力波的探测窗口，主要探测对象包括了从几倍太阳质量的恒星级黑洞到星系中心高达上千万倍太阳质量的大质量黑洞、银河系中大量的致密双星、邻近宇宙空间的恒星级双致密星、以及源于早期宇宙的引力波等。天琴有望提供大量无法通过其他探测手段获取的信息，特别是有关高红移的大质量黑洞双星、星系或星团核区动力学、银河系中的致密双星系统等的信息，对于揭示大质量黑洞的起源与成长历史、星系或星团核区动力学、恒星级致密星的天体物理、银河系双致密星的起源和演化、宇宙膨胀、引力与黑洞本质、早期宇宙及高能标物理等都有非常重要的意义，并有可能发现目前无法预料的新物理，将对天文学、物理学研究产生显著的推动作用。最终天琴计划将在太空组建形成引力波探测星组，为引力波的搜索与研究带来更多可能。太极计划规划在2033年前后将发射由位于等边三角形顶端三颗卫星组成的引力波探测星组，用激光干涉方法进行中低频波段(0.1mHz-1.0Hz)引力波的直接探测。

阿里原初引力波探测计划则有所不同，其探测目标是捕捉广义相对论预言的暴胀过程中时空剧烈膨胀所产生原初引力波。目前此项目已在西藏阿里建立观测站，完成了Ali CMB Polarization telescope -1号望远镜（简称 AliCPT-1）的建设工作并将在不久后以此开展试运行与科研工作。