引力波（英文名：Gravitational wave）是指兩個巨大物質(zhì)朝著彼此高速旋轉(zhuǎn)時（spiral toward each other），會以光速在周圍扭曲的時空中傳播出一波一波的漣漪。阿爾伯特·愛因斯坦（Einstein）的四極矩公式表明，加速運動的物體會產(chǎn)生引力波。質(zhì)量分布不對稱的體系做加速運動時，時空的變形以波紋的形式向外傳播，這就是引力波。廣義相對論中預(yù)言引力波的性質(zhì)包括：是以光速傳播的橫波并攜帶能量和與波源有關(guān)的信息，具有兩個偏振，輻射強度極弱，穿透性強等。其他相對論中的引力波可能以不同于光速的速度傳播，且具有其他偏振。
引力波由奧利弗·海維塞德（Oliver Heaviside）于1893年提出，后來由亨利·龐加萊（Henri Poincaré）于1905年作為電磁波的引力等效物提出。1915年，阿爾伯特·愛因斯坦曾預(yù)言，加速的質(zhì)量可能產(chǎn)生引力波，并于1916年證明廣義相對論產(chǎn)生的引力波是時空中的漣漪。1918年，愛因斯坦指出引力波只有兩個獨立自由度，并計算了輻射的能量。1957年，邦迪（Bondi）從理論上證明與坐標(biāo)選取無關(guān)的平面引力波的存在。1959年，邦迪、皮拉尼和霍華德·羅伯遜（Howard Robertson）證明靜止物體在引力波脈沖作用下會產(chǎn)生運動，之后邦迪證明了引力輻射是一個可觀測的物理現(xiàn)象。引力波存在的首個間接證據(jù)來自1974年觀測到的霍爾斯·J.H.泰勒雙脈沖星的軌道衰變，艾倫·拉塞爾·赫爾斯（Alan Hulse）和泰勒（Taylor）因此獲得1993年的諾貝爾物理學(xué)獎。2016年2月11日，LIGO和Virgo宣布首次觀測到引力波。2017年，雷納·韋斯 (Rainer Weiss)，巴里·巴里什（Barry Barish）和基普·索恩（Kip Thorne），因其對探測引力波所做出的貢獻被授予諾貝爾物理學(xué)獎。
引力波雖然不斷地經(jīng)過地球，但即使是最強的引力波影響也微乎其微，而且其來源通常相距很遠。可能測到的引力波源主要來自宇宙中大質(zhì)量天體的加速、碰撞和合并等事件，如：雙致密星系統(tǒng)（如中子星、黑洞等）的進動（Inspiral）或者并合、快速旋轉(zhuǎn)的致密天體、超新星爆發(fā)、超大質(zhì)量黑洞繞轉(zhuǎn)并合以及隨機的引力波背景等。
隨著對引力波研究的深入，科學(xué)家們進一步地了解黑洞、中子星等極端天體的性質(zhì)和行為，有了探測宇宙的起源和演化的窗口，這些進展對量子引力理論、弦理論、超引力理論的研究貢獻巨大。由于引力波與物質(zhì)之間的相互作用非常微弱，且不易被傳播途中的物質(zhì)所改變，因此引力波是優(yōu)良的信息載體。引力波天文學(xué)是觀測天文學(xué)的分支，該學(xué)科利用引力波來收集對于劇烈天文事件的引力波波源信息，如白矮星、中子星與黑洞一類的星體所組成的聯(lián)星，超新星與大爆炸等。
研究簡史
最初的探索和研究
引力波的提出
1893年，奧利弗·赫維賽德（Oliver Heaviside）提出了引力波的概念，他利用引力平方反比定律和靜電力之間的類比，討論了引力波的可能性以及引力波可能以光速傳播的問題。
亨利·龐加萊（Henri Poincaré）于1905年進一步指出引力波以光速傳播。昂利·龐加萊最先提出，如同有加速度的電荷會生成電磁波，有加速度的質(zhì)量在重力的相對論場中運動也會生成引力波。
引力波的相關(guān)假設(shè)
1915年，阿爾伯特·愛因斯坦（Einstein）發(fā)表了廣義相對論，給出引力所滿足的相對論場方程愛因斯坦場方程，這是一個完整的相對論引力理論。他和龐加萊一樣，猜想該方程會產(chǎn)生引力波，但引力波不可能類似于電磁波。電磁波是由偶極子運動產(chǎn)生的，需要正電荷和負電荷；而引力并不等同于負電荷。
愛因斯坦（Einstein）于1916年曾預(yù)言，加速的質(zhì)量可能產(chǎn)生引力波，但他提出的引力波與坐標(biāo)選取有關(guān)，在某一個參考系引力波可能有能量，而換一個參考系可能就沒有。之后阿爾伯特·愛因斯坦繼續(xù)研究廣義相對論方程的復(fù)雜性，以找到一個替代的波模型。結(jié)果于1916年6月發(fā)表，在那里他得出了引力波必須以光速傳播的結(jié)論，而且事實上必須存在三種類型的引力波，赫爾曼-韋爾（Hermann Weyl）稱之為縱波-縱波、橫波-縱波和橫波-橫波。
愛因斯坦場方程把質(zhì)量（能量）和曲率關(guān)聯(lián)起來，就跟胡克定律把力和彈性形變關(guān)聯(lián)起來一樣，即時空是一種彈性介質(zhì)。阿爾伯特·愛因斯坦利用平直時空背景下的線性近似，于1916年推導(dǎo)出引力波所滿足的波動方程及引力輻射的四極矩公式，預(yù)言了引力波的存在及引力波以光速傳播。
1918年，阿爾伯特·愛因斯坦指出引力波只有兩個獨立自由度，即兩個偏擁振方向，并計算了引力波輻射的能量。愛因斯坦的四極矩公式表明，加速運動的物體會產(chǎn)生引力波。一個質(zhì)量分布不對稱的體系作加速運動的時候時空就會變形，這種變形以波紋的形式向外傳播，這就是引力波。
然而，阿爾伯特·愛因斯坦提出的性質(zhì)讓許多人（包括愛因斯坦本人）對這一結(jié)果產(chǎn)生了懷疑。1922年，阿瑟-亞瑟·埃丁頓（Arthur Eddington）證明，愛因斯坦的兩種波是他所使用的坐標(biāo)系的產(chǎn)物，只要選擇適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系，就可以使它們以任何速度傳播，因此愛丁頓戲稱它們 "以思想的速度傳播"。
1936年，阿爾伯特·愛因斯坦與納森·羅森在《物理評論》中發(fā)表的一文中表示，引力波在廣義相對論中不存在，因為每一道場方程的解都會出現(xiàn)奇點。該雜志將他們的手稿交給霍華德-羅伯遜（Howard P. Robertson）審閱，羅伯遜匿名報告說，有關(guān)奇點只是所采用的圓柱坐標(biāo)的坐標(biāo)奇點。不熟悉同行評審概念的阿爾伯特·愛因斯坦憤怒地撤回了手稿，從此不再在《物理評論》上發(fā)表文章。然而，他的助手利奧波德·英費爾德（Leopold Infeld）曾與羅伯遜有過接觸，他說服阿爾伯特·愛因斯坦相信批評是正確的，于是這篇論文以相反的結(jié)論重新撰寫，并在其他地方發(fā)表。
1956年，費利克斯·皮拉尼（Felix Pirani）提出一個與坐標(biāo)系選取無關(guān)的引力波定義；1957年，邦迪（Hermann Bondi）進而從理論上證明與坐標(biāo)選取無關(guān)的平面引力波的存在。當(dāng)時，皮拉尼的工作被社會各界對另一個問題的關(guān)注所掩蓋：引力波是否能傳遞能量。
1957 年，理查德·費曼（Richard Feynman）在教堂山召開的第一屆 "GR "會議上提出了一個思想實驗，解決了這個問題。簡而言之，他提出了一個被稱為"粘珠論證 "的論點：如果用一根桿子裝上珠子，那么引力波經(jīng)過時會使珠子沿著桿子移動；摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，這意味著引力波做了功。此后不久，邦迪（Hermann Bondi）發(fā)表了"粘珠論證 "的詳細版本。
引力波與能量
1959年，邦迪、皮拉尼和霍華德·羅伯遜（Howard P. Robertson）更進一步證明，靜止物體在引力波脈沖作用下會產(chǎn)生運動，這就間接地證明引力波攜帶著能量，并可被探測到。后來，邦迪和皮拉尼發(fā)表了一系列文章（1959 年至 1989 年），證明了引力波平面波解的存在。
特別是邦迪嚴(yán)格證明了引力輻射實際上是一個可觀測的物理現(xiàn)象。引力波攜帶能量，所以一個輻射引力波的系統(tǒng)會損失能量。而且引力波會扭曲時空，它們會改變兩個自由宏觀物體之間的距離。當(dāng)一列引力波穿過太陽系時，會在空間產(chǎn)生一個隨時間變化的拉力，從而會在垂直于波的傳播方向上周期性改變太陽系中所有物體間的距離。由于引力波的通過而導(dǎo)致的相對長度變化是很小的，如受到典型白矮星雙星系統(tǒng)輻射的引力波的影響，相距1013米的兩個檢驗物體之間的距離的周期性改變只有10-10米。
同年，保羅·狄拉克（Paul Dirac）進一步假設(shè)引力波的存在，并在林道會議的演講中宣稱它們具有“物理意義”。此外，狄拉克在1964年預(yù)測了具有明確能量密度的引力波。
1962年，世界上的首類引力波探測器，即“共振棒”探測器（Weber bar）由物理學(xué)家約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）領(lǐng)導(dǎo)的團隊設(shè)計建成，標(biāo)志著人類對引力世界探索的開端。
二十世紀(jì)后期引力波的探測
1969 年，約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）聲稱已經(jīng)探測到了第一批引力波，在教堂山會議之后，約瑟夫·韋伯開始設(shè)計和建造第一個引力波探測器，現(xiàn)在被稱為韋伯棒（Weber bar）。到1970年，他定期“探測”來自銀心的信號；然而，探測的頻率很快引起了人們對他觀測有效性的懷疑，因為銀河系隱含的能量損失率將在比其推斷年齡短得多的時間尺度上耗盡我們銀河系的能量。到1970年代中期，其他小組在全球范圍內(nèi)建立自己的韋伯棒的重復(fù)實驗未能找到任何信號，到1970年代后期，人們的共識是韋伯的結(jié)果是虛假的。
1974年，羅素·艾倫·拉塞爾·赫爾斯（Russell Alan Hulse）和小約瑟夫·胡頓·J.H.泰勒（Joseph Hooton Taylor）發(fā)現(xiàn)了第一顆雙脈沖星，這為他們贏得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎。
二十一世紀(jì)的觀測和研究
引力波的探測儀器
2002年，LIGO搭建完成并開始對引力波的探測。2004年，LIGO開始了升級，新的高級LIGO開始搭建，并在2015年開始運行。高級LIGO由分別位于美國利文斯頓及漢福德兩個相距3002千米的相同激光干涉儀構(gòu)成，每個探測器由兩個相互垂直的長度為4千米的干涉臂組成。
2015年上半年，LIGO接受了一次全方面的升級，成為第二代的“aLIGO”，其測量靈敏度高于在該尺度下一般引力波所引起的10-19m量級的空間變化。
實際探測與研究
2015年9月14日，LIGO投入運行幾個月后，它便探測到了由一個36倍太陽質(zhì)量的黑洞和29倍太陽質(zhì)量的黑洞合并產(chǎn)生的引力波。自那以后，LIGO等探測器又多次探測到了引力波，這些結(jié)果不僅證實了廣義相對論的正確性，也為我們打開了一扇探索宇宙的新窗口。
2016年2月11日，LIGO宣布他們在2015年9月14日觀測到了來自距離410百萬光年的兩個黑洞并合時釋放的引力波 GW150914，這是人類歷史上第一次直接觀測到了引力波。隨后的2016年6月15日，LIGO又宣布觀察到第二個引力波信號 GW151226，這個信號發(fā)生在2015年12月26日。
2016年2月11日，LIGO和Virgo合作宣布首次觀測到引力波，兩個團隊共同宣布，其引力波源自于離地球410百萬秒差距（13億光年）之遠的由兩個質(zhì)量分別為倍太陽質(zhì)量和倍太陽質(zhì)量的黑洞合并，最終形成質(zhì)量為倍太陽質(zhì)量的黑洞，這一引力波事件被命名為GW150914。在合并的最后幾分之一秒內(nèi)，它釋放的能量是可觀測宇宙中所有恒星總和的50多倍。下圖為LIGO漢福德和利文斯頓探測器所觀測到的GW150914引力波事件，該圖展示了在兩個LIGO探測器中觀測到 的由該事件產(chǎn)生的引力波“應(yīng)變”，兩個圖均顯示了GW150914的頻率在0.2秒內(nèi)從35赫茲迅速增加到150赫茲。GW150914先到達L1，隨后到達H1，前后相差千分之七秒， 該時間差與光或者引力波在兩個探測器之間傳播的時間一致。
2017年，諾貝爾物理學(xué)獎授予雷納·韋斯 (Rainer Weiss)，巴里·巴里什（Barry Clark Barish），基普·索恩(Kip S Thorne)，以表彰他們在探測引力波方面所做出的貢獻。
2020年8月，LIGO學(xué)合作組織成員哈斯特（Haster）根據(jù)LIGO對引力波的實驗測量結(jié)果來檢驗引力波的方程，他將圓周率視為一個變量，當(dāng)且僅當(dāng)使用的圓周率值接近已經(jīng)確定的圓周率值時，愛因斯坦的理論與測量結(jié)果相匹配。其中引力波方程中出現(xiàn)圓周率因子的原因可能是引力波與自身相互作用。
2023年6月28日，多個國際性的脈沖星計時陣列合作組，包括北美納赫茲引力波天文臺（NANOGrav）、歐洲脈沖星計時陣列（EPTA）、帕克斯脈沖星計時陣列（PPTA），以及中國脈沖星計時陣列（CPTA），均宣布在各自的最新數(shù)據(jù)集中找到了支持納赫茲引力波存在的關(guān)鍵性證據(jù)——具有引力波特征的四極關(guān)聯(lián)信號。這項發(fā)現(xiàn)表明繼激光干涉引力波天文臺（LIGO）直接探測到引力波之后，未來引力波物理領(lǐng)域的又一里程碑式的突破。北美納赫茲引力波天文臺指出，它們是由超大質(zhì)量黑洞在宇宙學(xué)時間尺度上產(chǎn)生的，在對25顆脈沖星的 15 年無線電觀測中確定了獨特的 Hellings-Downs 曲線。
同年，中國科學(xué)院國家天文臺等團隊利用500米口徑球面射電望遠鏡FAST，探測到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵性證據(jù)，這是納赫茲引力波搜尋的重要突破。其中中國500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）超高的靈敏度讓CPTA僅用三年多便獲得了相近的結(jié)果。
性質(zhì)
傳播速度
電磁波是電磁能量的空間傳播，而引力波是時空引力能量的傳播。不同于電磁波，引力波是物質(zhì)能量劇烈加速變化引起時空形變的傳播；電磁波的源泉則是電場和磁場的震蕩傳播。但是兩者的傳播速度是一樣的，都是光速，即每秒30萬公里（比較地球月球距離38萬公里）。
能量、動量和角動量
波可以攜帶線性動量，這種可能性對天體物理學(xué)有一些有趣的影響。在兩個超大質(zhì)量黑洞合并后，線性動量的發(fā)射可以產(chǎn)生振幅高達4000公里/秒的“反沖”。這足以將合并的黑洞完全從其草薙哮星系中噴射出來。即使踢力太小而無法完全噴射黑洞，它也可以暫時將其從星系的核心中移除，之后它會圍繞中心振蕩，最終靜止下來。
被踢出的黑洞還可以攜帶一個星團，形成一個超緊湊的恒星系統(tǒng)。或者它可能攜帶氣體，使反沖黑洞暫時表現(xiàn)為“裸類星體”。類星體SDSS J092712.65+294344.0被認(rèn)為包含 一個反沖超大質(zhì)量黑洞。
引力紅移
引力紅移也稱為阿爾伯特·愛因斯坦位移。根據(jù)廣義相對論，引力能引起時間的膨脹，光從引力場發(fā)射出來時會產(chǎn)生紅移現(xiàn)象，即引力紅移。引力紅移首次在龐德-雷布卡實驗中得到驗證。引力紅移現(xiàn)象在地球上比較少見，但是在黑洞附近可以觀察到很強烈的引力紅移現(xiàn)象，當(dāng)一個物體接近黑洞視界時，紅移會變得無限大。引力紅移也是在宇宙微波背景輻射中造成大角度溫度擾動的原因。
引力子
1974年，研究發(fā)現(xiàn)，閉弦頻譜中包括一個對稱張量（對應(yīng)自旋為2）的無質(zhì)量模，對應(yīng)的是傳播引力相互作用的載體，通常稱為引力子。進一步研究表明，任何在量子力學(xué)意義上目自治的弦理論必然包含閉弦，即包括引力相互作用，因此弦理論至少是一一個描述引力的量子理論而不僅是描述強相互作用。
如果這樣的粒子存在，則預(yù)計它是無質(zhì)量的（因為引力似乎具有無限范圍）并且必須是自旋-2玻色子。可以證明，任何無質(zhì)量的自旋2場都會產(chǎn)生與引力無法區(qū)分的力，因為無質(zhì)量的自旋2場必須以與引力場相同的方式耦合到應(yīng)力能量張量（相互作用）；因此，如果發(fā)現(xiàn)了無質(zhì)量自旋2粒子，它很可能就是引力子，而無需與其他無質(zhì)量自旋 2 粒子進一步區(qū)分。這樣的發(fā)現(xiàn)將量子理論與引力結(jié)合起來。
確定行進方向
直接探測引力波的困難意味著單個探測器也很難自行識別源的方向，僅在GW170814的情況下，事件發(fā)生時三個探測器正在運行，因此方向是精確定義的。所有三種儀器的檢測都對源位置進行了非常準(zhǔn)確的估計，90%的可信區(qū)域僅為60deg2，比以前準(zhǔn)確了20倍。
引力波源
2015年，人類才首次直接探測到引力波，這是由兩個黑洞合并產(chǎn)生的。從那以后，人類又探測到了更多的引力波事件，包括雙中子星合并和黑洞-中子星合并。可能測到的引力波源主要來自雙致密星系統(tǒng)(如中子星、黑洞等)的進動(Inspiral)或者并合、快速旋轉(zhuǎn)的致密天體、超新星爆發(fā)、超大質(zhì)量黑洞繞轉(zhuǎn)并合以及隨機的引力波背景等。
雙星系統(tǒng)
雙中子星系統(tǒng)的纏繞運動將釋放引力波，其軌道尺度變小。1974年，美國天文學(xué)家赫爾斯和J.H.泰勒，利用阿雷西博305米口徑射電望遠鏡，觀測到雙中子星系統(tǒng)的軌道收縮，雖然每年3厘米的軌道變化，這與阿爾伯特·愛因斯坦的預(yù)言一致。由于他們間接證實引力波存在，于1993年兩人獲得諾貝爾物理學(xué)獎。
科學(xué)家可以通過觀測雙星軌道參數(shù)的變化來間接驗證引力波的存在。碰鈴是一種典型的引力波輻射源，由于不斷輻射引力波，能量和角動量逐漸減小，從而使雙星的間距變小，公轉(zhuǎn)周期變短，這種效應(yīng)被稱之為引力輻射阻尼。然而并非任何一個雙星體系都適合于這種檢驗，因為有些非相對論因素（如兩星體之間的潮汐作用、電磁輻射或星風(fēng)等）也會引起公轉(zhuǎn)周期的變化，理論研究表明：只有由兩顆中子星組成的雙星體系才有可能檢驗引力輻射阻尼。
引力輻射會使在旋近態(tài)中的雙星損失動能，造成其軌道以很緩慢的速度發(fā)生衰減，兩顆恒星逐漸接近。換句話說，它們發(fā)生引力輻射的時間尺度遠大于其公轉(zhuǎn)周期，因此這一過程被認(rèn)為是絕熱的，最常用的預(yù)測波形的方法是后牛頓近似方法。其中軌道運動輻射的能量會造成軌道的收縮，其結(jié)果是觀測到發(fā)射的引力波頻率隨時間增加而變大，這種波叫做chirp信號。如果能夠觀測到chirp的時間尺度，就可以推算出雙星的chirp質(zhì)量；進而可以從chirp質(zhì)量和觀測到的引力波振幅推算出雙星到地球的距離，這將有可能測量哈勃常數(shù)和其他宇宙學(xué)常數(shù)。隨著雙星系統(tǒng)的軌道衰減逐漸加快，絕熱近似不再適用，這樣雙星系統(tǒng)進入合并態(tài)，兩顆恒星接近后發(fā)生接觸合并成一個黑洞，并有相當(dāng)部分的質(zhì)量以引力波的形式釋放。
脈沖星
科學(xué)家們在探索將脈沖星用于計時和引力波探測。當(dāng)脈沖星旋轉(zhuǎn)時，它們發(fā)射的信號就像加強版燈塔光束一樣掃過宇宙，這樣地球上的天文學(xué)家每秒就能觀察到來自某些脈沖星的數(shù)百次閃光，就像原子鐘一樣規(guī)律。當(dāng)引力波從中穿過時將略微改變脈沖星和地球之間的距離，因此，天文學(xué)家希望通過監(jiān)測銀河系中一組脈沖星多年來的脈沖到達時間，即脈沖星計時陣列（PTA）的微小變化探測通過的引力波。
脈沖星陣列的監(jiān)測可以反映引力波穿過時的漂移，引力波損失動量可以導(dǎo)致脈沖星轉(zhuǎn)動速度飽和。上述現(xiàn)象的觀測和監(jiān)測，成為判斷引力波的存在證據(jù)。1974年，羅素·艾倫·拉塞爾·赫爾斯和小J.H.泰勒觀測到的霍爾斯·J.H.泰勒雙脈沖星（Hulse–Taylor binary pulsar）的軌道衰變是引力波存在的第一個間接證據(jù)。除此外也可通過監(jiān)測脈沖星的脈沖周期來探測引力波。特別是監(jiān)測脈沖星的脈沖周期的方法可探測到更低頻(10-9~10-6赫)的引力波。
2023年，由中國科學(xué)院國家天文臺等單位科研人員組成的中國脈沖星測時陣列（CPTA）研究團隊利用500米口徑球面射電望遠鏡FAST，探測到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵性證據(jù)，相關(guān)論文于中國天文學(xué)術(shù)期刊《天文與天體物理學(xué)研究》在線發(fā)表。
引力坍縮和伽瑪射線暴
中子星的形成來源于超新星的引力縮，超新星內(nèi)核的坍縮速率可達每秒七萬千米。這種引力坍縮并不是高度對稱的，這一點已經(jīng)在對超新星SN 1987A的觀測中得到證實。因此這種引力坍縮會產(chǎn)生一種持續(xù)時間很短且無周期性的引力波突發(fā)信號。但引力輻射的波形和振幅都很難從理論上預(yù)測，一般認(rèn)為只能運用數(shù)值模擬的方法。理論上估計，如果在本星系團之內(nèi)發(fā)生超新星坍縮，而且其發(fā)射的能量要大于0.01倍太陽質(zhì)量，那么現(xiàn)在的地面探測器就有可能觀測到這類事件。
伽瑪射線暴是短時間（幾毫秒至幾分鐘）內(nèi)極高強度的伽瑪射線輻射突然爆發(fā)事件，按持續(xù)時間分為長短兩類。根據(jù)大多數(shù)觀測所得出的結(jié)論來看，伽瑪射線暴很可能是高速自轉(zhuǎn)的黑洞誕生時所產(chǎn)生的。相對于引力坍縮來說，這種高速自轉(zhuǎn)的非對稱性結(jié)構(gòu)會形成高度穩(wěn)定的引力輻射，因而有可能在觀測到其電磁輻射爆發(fā)的同時探測到相應(yīng)的引力輻射。但2007年2月發(fā)生了一次來自仙女座星系方向的GRB 070201短伽瑪射線暴，而LIGO并沒有探測到引力輻射的存在，這可能是因為GRB 070201發(fā)生地點比仙女座星系更為遙遠。根據(jù)研究表明，費米伽馬射線空間望遠鏡在理論上也能感應(yīng)到通過的引力波。盡管該技術(shù)尚不足以支撐實際檢測，但已經(jīng)在幫助研究人員加強相關(guān)分析。
黑洞
黑洞雙星
黑洞是阿爾伯特·愛因斯坦廣義相對論預(yù)言存在的一類特殊天體，黑洞合會產(chǎn)生引力波。黑洞合并時釋放出巨大引力波能量，地球的引力波激光干涉儀LIGO的干涉臂被引發(fā)微小的震動。
原初黑洞是指在早期宇宙中由密度擾動引起的引力塌縮而形成的黑洞，它們不同于恒星演化或合并產(chǎn)生的黑洞。原初黑洞最早由扎爾多維奇在1966年提出，并由斯蒂芬·霍金等人在上世紀(jì)七十年代進一步發(fā)展，是暗物質(zhì)的一個可能候選者。如果存在足夠多的原初黑洞，它們就會對宇宙背景輻射、星系形成、引力透鏡等現(xiàn)象產(chǎn)生可觀測的影響。
原初黑洞形成時，由于密度擾動帶來了物質(zhì)分布和運動狀態(tài)的變化，因此會產(chǎn)生二階張量擾動或者說誘導(dǎo)引力波。這些誘導(dǎo)引力波與原初張量擾動有著不同的特征和來源，但都可以反映出早期宇宙密度擾動的信息。因此，通過探測誘導(dǎo)引力波，可以間接地探測到原初張量擾動，并且對暴脹模型進行約束。
黑洞雙星在回原旋、合并和衰蕩階段發(fā)射引力波。因此，在20世紀(jì)90年代初，物理學(xué)界團結(jié)起來，與二元黑洞大挑戰(zhàn)聯(lián)盟共同努力預(yù)測這些系統(tǒng)的引力波波形。最大幅度的發(fā)射發(fā)生在合并階段，這可以用數(shù)值相對論技術(shù)來建模。
大質(zhì)量和超大質(zhì)量黑洞
兩個特大質(zhì)量黑洞的合并，就是恒星質(zhì)量黑洞合并的加強版。由于參與的質(zhì)量很大，其引力輻射的頻率很低，但振幅卻相當(dāng)高。因為有效信號振幅和黑洞質(zhì)量基本成近似線性關(guān)系，在相同距離下質(zhì)量為106倍太陽質(zhì)量的大質(zhì)量黑洞的引力輻射振幅約為10倍太陽質(zhì)量的黑洞引力輻射的105倍（h~10?17）。與恒星不同的是，星系之間發(fā)生碰撞的概率相當(dāng)高，例如蛇夫座的星系碰撞殘留物NGC 6240，當(dāng)中含有兩個分別來自原星系的特大質(zhì)量黑洞。在兩個星系合并后，兩者中心的黑洞會逐漸向新形成的星系中心漂移并最終發(fā)生碰撞，這一機制說明宇宙間超大質(zhì)量黑洞合并的幾率是相當(dāng)高的。
極端質(zhì)量比例旋
特大質(zhì)量黑洞與白矮星、中子星、恒星質(zhì)量黑洞和中等質(zhì)量黑洞等較小質(zhì)量致密天體合并，這被稱作極端質(zhì)量比例旋（Extreme 質(zhì)量 Ratio Inspiral，簡稱EMRI）。當(dāng)一個致密星體碰巧接近星系中心的超大質(zhì)量黑洞時它有可能被俘獲，在圍繞著超大質(zhì)量黑洞公轉(zhuǎn)的同時放出引力波，因此這也是一種旋近態(tài)。不過由于兩者質(zhì)量比例懸殊，這種旋近態(tài)的變化比一般的雙星系統(tǒng)更為緩慢，從觀測的角度來說，這意味著可以用長達數(shù)年的時間觀測到同一種波形。
超新星
超新星爆發(fā)時光度為接近1010太陽光度(相當(dāng)于整個星系的光度)，釋放能量可達1046焦，光變幅超過17星等，即增亮千萬倍至上億倍。這是恒星世界中已知的最激烈的爆發(fā)現(xiàn)象之一超新星爆發(fā)后形成強的射電源、X射線源和宇宙線源。超新星爆發(fā)瞬間及爆發(fā)后所觀測到的現(xiàn)象中，涉及各種物理機制，如中微子和引力波發(fā)射、燃燒傳播及爆炸核合成、放射性衰變及激波同星周物質(zhì)的作用等。
旋轉(zhuǎn)中子星
只有當(dāng)質(zhì)量之間存在球面不對稱運動時，質(zhì)量分布才會發(fā)射引力輻射。旋轉(zhuǎn)的中子星通常不會發(fā)射引力輻射，因為中子星是高密度物體，具有強大的引力場，使它們幾乎保持完美的球形。然而，在某些情況下，表面上可能存在稱為“山”的輕微變形，這些變形是在表面上方延伸不超過10厘米的凸起。
大爆炸
引力波自誕生起在宇宙中的傳播至今就幾乎沒有衰減或散射。從引力子的角度看，是因為引力子具有非常小的散射截面。在描述早期宇宙的暴脹模型中，引力子在普朗克時期內(nèi)產(chǎn)生，并有可能按照引力場和其他場的自由度均分，這就形成了其溫度相當(dāng)于微波背景輻射的引力波的熱背景輻射。其后宇宙進入暴脹時期，暴脹對最初質(zhì)量密度的形成提供了足夠大的微擾，這種機制使星系能夠形成。而這些微擾則以引力場微擾的形式傳播至整個宇宙形成了隨機背景輻射，引力波形成的隨機背景輻射被認(rèn)為是各向同性、靜態(tài)且無偏振的。
宇宙微波背景輻射揭示了大爆炸之后105年的宇宙狀況，對太初核合成的研究揭示了大爆炸之后幾分鐘內(nèi)的宇宙狀況，而引力波的誕生則可以追溯到大爆炸之后小于10?24秒的時間范圍之內(nèi)。對這種引力隨機背景輻射的觀測是引力波天文學(xué)最重要的課題之一。
相關(guān)原理
線性愛因斯坦方程
廣義相對論預(yù)言下的引力波是以波形式傳播的時空擾動，被形象地稱為“時空漣漪”。廣義相對論下的弱引力場可寫作對平直時空的線性微擾：（以下采用自然單位，引力常數(shù)G和光速c都設(shè)為1）
，其中這里是平直時空的赫爾曼·閔可夫斯基度規(guī)，是弱引力場帶來的微擾。
引力輻射的四極矩近似公式
引力輻射的四極矩近似公式，描述了一個弱相對論系統(tǒng)引力輻射的最基本情形。其中描述了波源的質(zhì)量能量分布：
這里張量即是系統(tǒng)的質(zhì)量四極矩（轉(zhuǎn)動慣量張量），而是波源的質(zhì)量能量密度，積分范圍是整個波源內(nèi)部。
四極矩公式的物理意義是引力輻射起始于隨時間二階變化（例如諧振）的四極矩，這一點與電磁輻射不同：電磁輻射起始于隨時間二階變化的偶極矩。這一區(qū)別的來源是：一個隨時間二階變化的電偶極矩或磁偶極矩對應(yīng)著電荷密度中心的振動，這一振動是隨意不受限制的；而一個隨時間二階變化的質(zhì)量的偶極矩對應(yīng)著質(zhì)心的振動，這一振動不能滿足動量守恒定律，因此不存在這樣對時間二階偏導(dǎo)不為零的質(zhì)量偶極矩。由于四極矩是偶極矩的更高階項，這也是引力輻射要遠弱于電磁輻射的原因。
四極矩近似下引力波的光度（總輻射功率）
四極矩近似下引力波的光度（總輻射功率）為：
這里Q是張量矩陣的跡。 引力波的能量通量（單位面積的輻射功率）近似為:
這里f是單色引力波的頻率。思考一個地面探測器可以感測到的微弱輻射暴，其頻率為1000赫茲，到達地球時的引力強度為10-22的引力波，則其能量通量約為3×10?3W/m2這相當(dāng)于滿月時地球從月球接收到的電磁輻射能量通量的兩倍，大約有1ms之久，這引力波源是夜間天空最亮的星體。這表明引力波實際可以攜帶很大的能量，但與物質(zhì)相互作用力非常小，這才是引力波難以被探測的根本原因。
探測
引力波是時空引力能量的傳播，不同于電磁波，引力波是物質(zhì)能量劇烈加速變化引起時空形變的傳播。
引力波有兩個重要且獨特的性質(zhì)。首先，附近不需要任何類型的物質(zhì)來使不帶電黑洞的雙星系統(tǒng)產(chǎn)生波，該系統(tǒng)不會發(fā)射電磁輻射。其次，引力波可以穿過任何中間物質(zhì)而不會被顯著散射。例如，來自遙遠恒星的光可能會被星際塵埃阻擋，而引力波將基本上不受阻礙地穿過。這兩個特征使得引力波能夠攜帶迄今為止人類從未觀察到的天文現(xiàn)象的信息。
在引力波的存在是引力場的固有性質(zhì)被證明后，物理學(xué)家又嚴(yán)格證明了引力輻射是含能輻射，其會帶動有質(zhì)量的物體在空間中運動，這也證明了引力波理論的預(yù)測能夠轉(zhuǎn)化為實際探測。
引力波天文學(xué)
引力波天文學(xué)是相對論天體物理學(xué)的一個分支，研究各種天體過程的引力波發(fā)射，以及引力輻射對天體現(xiàn)象的影響。直接探測天體發(fā)射引力波的工作，也在進行中。
哈勃空間望遠鏡探測到的兩個合并星系中心的黑洞合并而成的超大質(zhì)量黑洞，理論上是被引力波從合并中心噴射出來的。在引力波提出后，如何探測引力波便成為了巨大的難題；引力波的探測存在理論與實驗兩大方面的難題，對于理論層面，有如下的兩大難題：
一、描述了引力波的解是考慮特定坐標(biāo)變換而得出的，因此引力波可能只是一種虛假的坐標(biāo)效應(yīng)，而非引力場的固有性質(zhì)。
二、引力波不一定從其發(fā)射源帶走能量，單純的、無能量的時空波動無法被探測。
以上兩點直到20世紀(jì)50、60年代才被逐一解決。20世紀(jì)50年代，物理學(xué)家建立了嚴(yán)格的、與坐標(biāo)選擇無關(guān)的引力輻射理論，并求出了該理論下嚴(yán)格的波動解，證明了引力波的存在是引力場的固有性質(zhì)。20世紀(jì)60年代，物理學(xué)家在研究零曲面上的初值問題時嚴(yán)格證明了引力輻射是含能輻射，其會帶動有質(zhì)量的物體在空間中運動，即證明了引力波的可探測性。
引力波探測器
引力波探測器所能提供的典型定位誤差有幾百平方度。這大大限制了其他波段望遠鏡的后隨觀測。而利用多個波段的望遠鏡對引力波事件的綜合研究卻是十分必要的。根據(jù)已有研究，雙致密星并合過程不僅產(chǎn)生引力波，往往還伴隨著射線、軟X射線、光學(xué)、射電等波段的輻射，其中射線通常以射線暴的形式出現(xiàn)。因此，對引力波的多波段聯(lián)合觀測當(dāng)中，除了對引力波本身的觀測，對射線暴的觀測排在了時間序列的最前端-它可為其他波段的觀測提供觸發(fā)。射線暴的定位精度可達到角度甚至角分的量級，這遠好于地面引力波探測器網(wǎng)絡(luò)的空間定位能力，可以為后隨觀測提供更為精確的位置信息。因此，引力波電磁對應(yīng)體的y射線暴探測變得非常關(guān)鍵。
人造引力波天線分為：調(diào)振型探測器和激光干涉儀作為引力波探測天線。
調(diào)振型探測器依靠引力波與天線的本征頻率共振達到在較小空間內(nèi)獲得較高靈敏度的目的。最早建造的韋伯棒就屬這一類。因為球狀探測器對所有方向都敏感，菜頓大學(xué)的minGRAIL探測器是第一個設(shè)計成球形的探測器，其直徑為68厘米，重1300千克，共振頻率約為3000赫，帶寬為230赫，預(yù)期工作溫度在20毫開。圣保羅大學(xué)計劃建造的Mario Schenberg引力波探測器具有類似的設(shè)計，其直徑為65厘米，重1.15噸，工作溫度為20毫開。調(diào)振型探測器的主要問題在于其工作頻率只限于在本征頻率附近的一個很窄的頻率范圍內(nèi)。
用激光干涉儀作為引力波探測天線，克服了調(diào)振型天線工作頻帶窄的問題。美法、意、英、德、日以及澳大利亞等國相繼投巨資興建干涉儀，臂長達數(shù)百米乃至數(shù)千米的大型激光干涉引力波探測天線。
探測方式
雖然引力輻射的直接探測非常困難，但2015年開始，先進激光干涉引力波天文臺(Advanced LIGO)已經(jīng)探測到多個雙黑洞并合觸發(fā)的引力波事件。除此之外，比如雙星體系公轉(zhuǎn)、中子星自轉(zhuǎn)、超新星爆發(fā)、黑洞超吸積過程等，以及理論預(yù)言的黑洞的形成、并合和捕獲物質(zhì)等過程，都能輻射較強的引力波。
間接探測
另外，可以通過觀測雙星軌道參數(shù)的變化來間接驗證引力輻射的存在。雙星是一種典型的引力波輻射源。雙星由于不斷輻射引力波，能量逐漸減小，從而使間距變小，公轉(zhuǎn)周期變快。所以，通過對雙星體系公轉(zhuǎn)周期變化等參數(shù)的觀測，即可定量驗證引力輻射阻尼的存在。J.H.泰勒等科學(xué)家測得射電脈沖雙星PSRB1913+116的公轉(zhuǎn)周期=27906.98172+0.00005秒（1978年11月的值），周期變率=(-3.2+0.6)×10-12。這是引力波存在的第一個間接定量證據(jù)。拉塞爾·赫爾斯和泰勒也因此于1993年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。
直接探測
檢驗引力波存在的第二個方法是直接探測。引力波攜帶能量，穿過物體時可使物體獲得能量而產(chǎn)生運動。因此，可用質(zhì)量體系作天線，直接接收天體源發(fā)射來的引力波。引力波傳播時，在垂直于其前進方向的平面內(nèi)的場是不均勻的。在垂直前進方向的平面內(nèi)，兩獨立偏振態(tài)在某一時刻的力線梯度與處于該平面內(nèi)的四個檢驗質(zhì)量A、B、C、D的受力和運動方向。
引力波的強度是物體運動速度與光速之比的五次方(v5/c5)，其強度極小，非常難探測。為探測引力波，從50年代末開始相繼設(shè)計出許多探測引力波的方法，并于60年代開始建造引力波探測天線。
實際探測與發(fā)展
2002年LIGO搭建完成并開始對引力波的探測，兩年后LIGO開始了升級，新的高級LIGO開始搭建，并在2015年開始運行。高級LIGO由分別位于杰拉德·華萊士利文斯頓及漢福德兩個相距3002千米的相同激光干涉儀構(gòu)成，每個探測器由兩個相互垂直的長度為4千米的干涉臂組成。
2016年2月，美國科學(xué)基金會宣布激光干涉引力波天文臺（LIGO）于2015年9月14日首次發(fā)現(xiàn)兩顆黑洞并合產(chǎn)生的引力波信號，該發(fā)現(xiàn)揭開了引力波天文學(xué)時代的序幕。同年2月11日，LIGO宣布在2015年9月14日觀測到了引力波GW150914，隨后在次年6月，LIGO又宣布觀察到第二個引力波信號 GW151226。
2017年8月17日，LIGO和VIRGO以及全球70多個望遠鏡合作組首次聯(lián)合發(fā)現(xiàn)雙中子星并合引力波（編號GW170817）及引力波閃（編號GRB 970508170817A），隨后又發(fā)現(xiàn)光學(xué)、軟X射線以及射電波段的電磁對應(yīng)體。
截至2023年，各種各樣的引力波探測器正在建造或者運行當(dāng)中，比如先進激光干涉引力波天文臺 (advanced LIGO； aLIGO，美國)、室女座干涉儀(VIRGO，意大利)、GEO600(德國)、神岡引力波探測器(KAGGRA， 日本)、空間引力波項目eLISA(演化激光干涉空間天線)(歐洲)、空間太極計劃(中國)、天琴計劃(中國)、阿里巴巴集團原初引力波實驗(中國)等。上述引力波探測器對不同來源不同頻率的引力波進行探測。
下一代的激光干涉儀計劃如愛因斯坦望遠鏡（ET）將建造在地下，由三個10千米長的臂構(gòu)成等邊三角形，每個角上放兩個探測器，ET可以用來探測引力波的偏振。中國相關(guān)大學(xué)及研究所也在計劃建造地下激光干涉引力波探測器。
引力波通過時的效應(yīng)
雖然引力波不斷地經(jīng)過地球，但即使是最強的，對地球的影響也微乎其微，而且它們的來源通常相距很遠。例如，GW150914的最終合并所發(fā)出的波在傳播了十億光年之后到達地球，作為時空的漣漪，將4公里L(fēng)IGO臂的長度改變了質(zhì)子寬度的千分之一，按比例相當(dāng)于將到太陽系外最近恒星的距離改變了一根頭發(fā)絲的寬度，因此只有最先進的探測器才能在地球上觀測到它們。引力波信號的定位依賴于其到達地面探測器網(wǎng)絡(luò)中不同探測器的時間同差，地球尺度的限制使地面探測器網(wǎng)絡(luò)的空間定位能力的極限為~10平方度。
研究意義
由于引力輻射不會被屏蔽，故有極強的穿透性，可帶來巨型星體內(nèi)部的豐富信息。另一方面，引力波與任何物質(zhì)(包括那些尚未被看到的物質(zhì))都有相互作用，在引力波的傳播過程中將會記錄下宇宙中所有物質(zhì)的信息。探測引力波將為探索宇宙打開一個極其重要的窗口，從中了解借助其他方法無法得到的大量信息。引力波是對阿爾伯特·愛因斯坦理論在強引力場情況及一個前所未有的精度范圍內(nèi)的檢驗，為研究引力理論及天文現(xiàn)象打開了一個全新的窗口。
由于引力與物質(zhì)耦合的弱點，引力波的吸收或散射非常少，即使它們在天文距離上傳播。特別是，引力波預(yù)計不會受到早期宇宙不透明性的影響。在這些早期階段，空間還沒有變得“透明”，因此基于光、無線電和其他電磁輻射的觀測是有限的或無法獲得的。因此，原則上，引力波有望提供關(guān)于早期宇宙的大量觀測數(shù)據(jù)。
文化影響
文學(xué)作品中出現(xiàn)了以引力波為靈感，構(gòu)思的科幻產(chǎn)物，如：劉慈欣在他的《三體》系列小說中假設(shè)引力波發(fā)射的基本原理是具有極高質(zhì)量密度的長弦的振動，最理想的發(fā)射天線是黑洞，可用大量微型黑洞連成一條長鏈，在振動中發(fā)射引力波。小說中“萬有引力”號通過引力波將三體人所在星系的坐標(biāo)向全宇宙廣播。引力波廣播公布了三體坐標(biāo)的六年后，三體星系被某種未知的力量完全破壞的影像被傳回了銀河系，而四光年以外的三體世界則在已經(jīng)完全毀滅了，只留下少數(shù)仍在宇宙中遠航的艦隊。
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引力波——來聽聽宇宙的“交響樂”.微信公眾平臺.2024-02-28
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來自宇宙深處的呼喚.微信公眾平臺.2024-02-28
A Background ‘Hum’ Pervades the Universe. Scientists Are Racing to Find Its Source.scientificamerican.2024-02-28
15 Years of Radio Data Reveals Evidence of Space-Time Murmur.nasa .2024-02-28
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