利用引力波來探測天體物理過程是繼電磁輻射和粒子輻射之后研究宇宙的一種全新途徑，也將開辟天文學新領域：引力波天文學，在物理學和天文學中都有非常重大的意義，是目前自然科學的前沿課題。同時，空間引力波探測將帶動一批尖端空間技術的發展, 如果研究工作進展順利，在今后二、三十年應會有重大的突破。
簡介
引力波天文學是利用天體的引力波來研究天文現象的學科。按照阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論，天體在加速運動或變化時均有引力波輻射。不過是幫迪和皮拉尼從理論上真正證明它的存在，并說明它是在真空中以光速傳播的一種穿透性極強的橫波，攜帶能量和與波源體有關的信息，因而我們可以用質量體系做天線，直接接收并探測天體發射來的引力波。由于引力波很微弱，應當用大質量高品質因素材料做天線并放在極低的溫度下進行工作。盡管在70年代初馬里蘭大學的J.韋伯就開始實測引力波，迄今仍未有真正的結果。到是通過對射電脈沖雙星PSR?1913+16公轉周期變化的研究而間接地證明了引力波的存在。
特點
宏觀運動
引力波直接聯系著波源整體的宏觀運動，而非如電磁波那樣來自單個原子或電子的運動的疊加，因此引力輻射所揭示的信息與電磁輻射觀測到的完全不同。例如對一個雙星系統觀測到的引力波的偏振揭示了其雙星軌道的傾斜度，這類關于波源運動的宏觀信息通常無法從電磁輻射觀測中取得。
類似聲波
如果比較波長與波源尺寸的關系，宇宙間的引力波并不像電磁波那樣波長比波源尺寸小很多，這使得引力波天文學通常不能像電磁波天文學那樣對波源進行拍照成相，而是類似聲波直接從波形分析波源的性質。
觀測暗物質
大多數引力波源很難或根本無法通過電磁輻射直接觀測到（例如黑洞），這個事實反過來也成立；考慮到現在一般認為宇宙間不發射任何電磁波的暗物質所占比例要遠大于發射電磁波的已知物質，暗物質與外界的唯一相互作用即是引力相互作用，引力波天文學對這些暗物質的觀測具有重要意義。
宇宙深處信息
引力波與物質的相互作用非常弱，在傳播途徑中基本不會像電磁波那樣容易發生衰減或散射，這意味著它們可以揭示一些宇宙角落深處的信息，例如宇宙誕生時形成的引力輻射至今仍然在宇宙間幾乎無衰減地傳播，這為直接觀測大爆炸提供了僅有的可能。
研究對象
引力波天文學這個名稱現在已經脫離了單純意義上的觀測天文學范疇，粗略來講引力波天文學涉及以廣義相對論為基礎的理論和實驗天體物理學、激光物理、數字信號處理、控制論、概率統計等多方面的領域。伯納德·舒爾茨曾列出成功觀測引力波的五條關鍵要素：
1.良好的探測器技術
2.良好的波形預測
3.良好的數據分析方法和技術
4.多個獨立探測器間的符合測量
5.引力波天文學和電磁波天文學的符合測量
背景
愛因斯坦廣義相對論
1916年，愛因斯坦在其著名的廣義相對論中的引力場方程展示了，在平坦真空背景下忽略自引力的引力波動行為，也就是說引力——這種時空本身的性質，其擾動可以在時空中以光速傳播。愛因斯坦廣義相對論的成功在于它的預言大多得到了觀測的很好地證實，這其中包括三大經典檢驗：1）水星近日點進動；2）光線在引力場中的偏折；3）引力紅移效應。但是實驗物理學家永遠不會停止檢驗一個理論的腳步，廣義相對論也繼續不停地經受著各種實驗和天文觀測的考驗，甚至同一實驗人們也在不停地想方設法提高精度。同時理論家們為此也不斷地對廣義相對論的引力理論進行完善，也有人不斷提出不同于廣義相對論的引力理論。前者比如1957年前后，引力波攜帶能量，引力波無窮遠處漸近行為，彎曲時空下短波近似的引力波發射等等工作才慢慢使得引力波的存在至少在理論上是被廣泛接受的。后者的例子也很多，比如著名的Brans-Dicke理論等等。
檢驗廣義相對論
20世紀五六十年代掀起的一股檢驗廣義相對論的浪潮中，Russel?Hulse?和?Joseph?Taylor對脈沖雙星PSR?1913+16的觀測是尤為著名的一個經典。他們對于雙星繞轉軌道的監測結果精確地與廣義相對論下由于引力輻射導致能量損失的預言相吻合，這就間接地證明了引力波的存在。這項工作也因此獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。另一方面，被稱為“引力波天文學之父”的Joseph?Weber在上世紀六七十年代利用共振棒天線企圖直接探測引力波的開創性實驗也極大刺激了整個科學界對于引力波探測的熱情。盡管他前后兩次宣稱探測到了引力波信號的實驗備受爭議，也都沒有得到來自同行的認可。但自此以后，人們開始意識到引力波探測的重要意義：它不僅僅是對廣義相對論和其他眾多引力理論的檢驗，一旦探測到信號將為人類開啟一扇觀測宇宙的新窗口！
激光干涉儀
上世紀八九十年代以來，多個大型的激光干涉儀探測引力波實驗項目被提出并最終得以開展。比如最早的美國的LIGO，從最初的位于加州理工學院的40m原型干涉儀到現在的兩個4km、一個2km的激光干涉引力波天文臺；意大利?–?法國合作的VERGO，臂長為3km；德國?–?英國的GEO600和日本的TAMA300。所有這些都已經開始工作并持續地收集數據，達到或者接近設計的靈敏度水平。澳大利亞也計劃在南半球建造一個相當于升級后的LIGO干涉儀，其80m的原型設備已經開始在西澳洲運行，用以檢測相關的技術。
地面激光干涉儀受各種噪聲的影響是得它的敏感頻率遠在1?Hz之上。于是，把這種干涉儀搬到太空中去在美國宇航局（美國航空航天局）宏偉的目標下并不顯得不切實際。最終確立的由NASA和歐洲航天局（歐空局）合作的LISA?(Laser?Interferometer?Space?Antenna)?基線長達500萬公里，由三個探測器組成一個等邊三角形在地球公轉軌道附近共同圍繞太陽旋轉。該計劃最近一次宣布的發射日期是2020年。
共振棒探測實驗
差不多就在Joseph?Weber?宣稱探測的來自銀心的引力波信號之后不久，共振棒探測實驗就廣泛開展起來了，目前仍有Louisiana的ALLEGRO，Italy的AURIGA和NAUTILUS,?和Switzerland的EXPLORER?（加上已退役的澳大利亞的NIOBE組成了International?Gravitational?Event?Collaboration?(IGEC)）活躍在實驗前沿。此外，在荷蘭和巴西也有相關科研機構開展利用球形金屬體的共振來探測引力波的實驗。在最著名的超新星1987a爆發時，唯一的引力波觀測數據就來自于這些共振型探測器。盡管目前被認為靈敏度上的缺陷使其不充分具備探測的引力波的可能性，其造價低廉的特點還是使其繼續著最原始的使命。
毫秒脈沖星
除了建造各種各樣的新儀器，天文學家發現毫秒脈沖星這種目前人類已知最為守時的“工具”就可以成為一種天然的引力波探測器。其基本原理就是：當引力波通過地球附近時，脈沖星與地球之間的絕對距離將會發生微小變化，因此極為守時的脈沖星的射電脈沖到達地球上的望遠鏡的時間也會相應地發生變化。目前天文學家就是通過長期監測多顆毫秒脈沖星的到達時間（ToA，這種實驗被稱為Pulsar?Timing?Array），以達到直接探測引力波的目的。援引最新一期自然雜志的新聞?(NATURE,?Vol?463.?147)，對脈沖星到達時間的監測很可能“搶先于”激光干涉儀成為首個直接探測到引力波的實驗。盡管如此，這并不掩蓋LIGO等實驗的重要性，因為它們并不僅僅是為了探測到引力波信號，而是希望打開引力波天文學的窗口，真正成為一個“天文臺”。況且，它們關注的引力波頻段也不一樣，Pulsar?Timing?關注的是更低頻率的引力波（極低頻，10-9?~?10-7?Hz）。
觀測宇宙的新窗口
以上是引力波探測實驗方面的大致歷史，理論方面很早的時候人們就開始“期待”并“預言”各種各樣的引力波源。特別是隨著超級計算機的能力的加強，天文學家們可以對各種各樣的天體物理的或者宇宙早期的物理過程進行數值模擬，這樣便可以相當理想的預測出不同的源所產生的引力波特性的區別，給實驗很好的參考。此外，不斷發展的激光技術、隔震技術、制鏡技術等等也不斷為提高探測靈敏度做出貢獻。同時，不斷革新的數據處理方法，使得諸如海量數據的快速甚至實時處理、非高斯噪聲的剔除、非穩定信號的處理等等疑難都在得到一步步地解決。可以預見，在不遠的將來引力波探測將為人類打開一扇觀測宇宙的新窗口。正如射電、X射線和γ射線等一系列新窗口的打開給人類帶來許多意想不到的新發現一樣，引力波天文學令人拭目以待。
綜述
引力波天文學是觀測天文學20世紀中葉以來逐漸興起的一個新興分支，其發展基礎是廣義相對論中引力的輻射理論在各類相對論性天體系統研究中的應用。與基于電磁波觀測的傳統觀測天文學相對比，引力波天文學是通過引力波這個途徑來觀測發出引力輻射的天體系統。由于萬有引力相互作用和電磁相互作用相比強度十分微弱，引力波的直接觀測對現有技術而言還是一個很大的挑戰。自1916年阿爾伯特·愛因斯坦發表廣義相對論，在理論上預言引力波的存在以來，引力波至今未能在實驗上直接被檢測到。因此從這個意義上說，真正實現通過引力波的觀測來從實驗上研究天體系統，從而完善引力波天文學這一新興領域還為時尚早。但從相關的理論研究角度來看，理論上的引力波天文學已經存在，它的發展基礎是20世紀中葉以來在引力輻射框架下的天體物理學研究，其中最著名的例子是普林斯頓大學的拉塞爾·赫斯（Russel?Hulse）和J.H.泰勒（Joseph?Taylor）發現的脈沖雙星，PSR?1913+16，這些研究使人們逐漸發現相對論性引力在天體系統中的重要地位。而從實驗的角度來看，引力波的探測技術研究已經取得了相當的成果，研究人員預測人類很有可能在不遠的將來實現對引力波的直接探測。
廣義相對論預言下的引力波來自于宇宙間帶有強引力場的天文學或宇宙學波源，近半個世紀以來的天體物理學研究表明，引力輻射在天體系統中出現的場合非常豐富。這些可期待的波源包括銀河系內的雙星系統（白矮星、中子星或黑洞等致密星體組成的雙星），河外星系內的超大質量黑洞的合并，脈沖星的自轉，超新星的引力坍縮，大爆炸留下的背景輻射等等。引力波的觀測意義不僅在于對廣義相對論的直接驗證，更在于它能夠提供一個觀測宇宙的新途徑，就像觀測天文學從可見光天文學擴展到全波段天文學那樣極大擴展人類的視野。傳統的觀測天文學完全依靠對電磁輻射的探測，而引力波天文學的出現則標志著觀測手段已經開始超越電磁相互作用的范疇，引力波觀測將揭示關于恒星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。
參考資料 >
引力波天文學.www.kepu.net.cn.2011-12-22