在探索它的100多年中，爱因斯坦都不止一次犯了错
科学大院约 21 分钟图1：2017年诺贝尔物理学奖被授予雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩等三位物理学家，以表彰他们为“激光干涉引力波天文台（LIGO）项目和发现引力波所作的贡献"。（图片来源：Nobelprize.org）
爱因斯坦的困惑
在物理学的传说中，最知名的当属牛顿和苹果的故事。一颗从树上掉下的苹果作为大自然的信使，向牛顿揭示了万有引力的存在。
图2：苹果公司的第一版logo，这一设计致敬了牛顿和苹果的故事。（图片来源：Ron Wayne）
引力就如空气一般，在万事万物之间存在，却又将自己隐藏于无形。牛顿的万有引力定律第一次让人类意识到这样一种自然界基本相互作用的存在。
当两个质量分别为M和m的物体之间的间距为r时，他们之间的相互吸引力具有上面方程的形式。其中G是普适的万有引力常数。这个公式以极其简洁的形式刻画了世间万物相互吸引的规律，看起来是如此地完美无缺。
我们可以从万有引力定律总结出以下两点结论：其一，这个定律只提供了两物体相互作用的引力大小，却并没有解释引力的传递过程。其二，万有引力定律不含时间。时间在牛顿的体系中被赋予了特殊的、独立的地位。这就意味着在牛顿的体系中，万有引力是一种“超距作用”，它的传递是瞬时的、不受距离限制的，也是不需要媒介的。
但事实确实如此吗？即便是牛顿自己，也曾表示“引力必定是由按照某种定律作用的代理所造成的，至于这种代理到底是物质的还是非物质的，在这里我留给我的读者来思考。”
两个多世纪的时间过去了，科学家们还是没能解决解答牛顿的疑问。时间来到1905奇迹年，爱因斯坦发表了名为《论运动物体的电动力学》的论文，基于电磁相互作用的传递建立了狭义相对论框架。他认为相对于空间而言，时间并不具有特殊的地位，相反它们一起构成了一个四维时空。爱因斯坦成功挑战了牛顿的时空观。然而引力并不能与这个新的时空观相容，牛顿的疑问非但没能解答，问题还变得更加尖锐了。对这一问题，爱因斯坦思考良久。
图3：电影《星际穿越》中对五维时空的表现。
（图片来源：《星际穿越》截图）
1907年的一天，爱因斯坦终于取得了突破，他称之为“一生中最快乐的想法”。那天爱因斯坦坐在瑞士伯尔尼专利局的办公室椅子上，一个想法突然闪了出来：“如果一个人自由下落，他将感受不到自己的重量。”
换句话说，如果一个电梯间里的观察者感觉到自己处于失重状态，他并不能判断电梯间是在引力场中自由下落抑或自己已经进入了星际空间，引力场消失了吗？
既然引力场可以局域地消除，那么引力是否只是时空带给我们的假象呢？
图4：”爱因斯坦电梯“思想实验。在电梯中的人并不能分辨自己是处于引力场中的电梯里还是在加速的电梯里。（图片来源：Nigel Holmes）
这便是广义相对论的基石：等效原理，爱因斯坦由此跳脱出了牛顿的引力框架，建立起一套新的时空观念。用另一位物理学大师约翰·惠勒的话来说，就是“时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何弯曲”。物质并不是受到引力，而是在弯曲的时空中运动。“力”的概念就这样在广义相对论的框架下消失了。
这从根本上颠覆了人们的理解，在过往的经验中，时空好似舞台，物质在时空的固定舞台上相互作用，就好像舞台上的演员，而在广义相对论中，时空竟然和物质相互影响，质量也不过是物质的能量和动量的一种表现形式。时空的舞台不再是绝对的了！
图5：在广义相对论中，物质导致时空弯曲，在弯曲时空中的运动等价于牛顿力学中物质在引力场中的运动。（图片来源：Science News）
广义相对论被建立起来了，那牛顿的困惑被解决了吗？是什么在传递引力作用呢？
从前面的描述中我们已经知道，在广义相对论的框架下，引力只是时空弯曲的效果。物质导致了时空的弯曲，那如果物质在运动呢？时空的弯曲自然也会随之变化，而变化的信息会以光速传播出去。传播信息的正是时空本身！这就是引力波。就像石子投向平静的水面，激起涟漪传向四方，引力波就是物质运动引起的时空的涟漪。这涟漪最终也只能以光速向远处扩散传播，并不存在牛顿的体系中的超距作用。
其实早在广义相对论面世之前，人们就提出了引力波的猜想。牛顿的万有引力定律和描述电磁力的库仑定律都具有对于距离的平方反比律，这自然会让人联想到引力波和电磁波的相似性。电磁波我们并不陌生，可见光更是向我们呈现出五彩缤纷的世界，可为什么我们从未感觉到引力波的存在呢？这主要由于引力相较于电磁力很微弱，只有极大质量物质的加速运动能够产生可观测的引力波，一个典型的例子就是双黑洞并合产生引力波辐射。
图6：双黑洞并合产生引力波的假想图。
（图片来源：R. Hurt/Caltech-JPL）
如果能够观测到引力波，我们就是在直接测量时空本身！引力波给了我们一个全新的角度观察宇宙，如果说电磁波探测给了我们观察宇宙的眼睛，那引力波探测就是聆听宇宙的耳朵，难怪引力波被首次探测后天文学家惊呼这是“天文学从无声电影到有声电影的过渡”。
在近一百年前，研究引力波需要的数学工具都尚不成熟，引力波的研究也经历了许多波折，甚至爱因斯坦都一度认为引力波是不存在的。
提出广义相对论之后不久，爱因斯坦在1916年和1918年发表了两篇关于引力波的论文。在第一篇论文被指出存在严重错误后，爱因斯坦在第二篇论文中修正了错误，并提出了引力波的四极辐射，奠定了引力波研究的框架。然而引力波的严格解仍然是一个悬而未决的问题。
图7：爱因斯坦在普林斯顿大学的住所前。
（图片来源：Gamma-Keystone）
爱因斯坦定居美国后，重新在助手罗森的协助下进行引力波严格解的工作。但是在1936年研究成果投稿时，论文的标题却是《引力波存在吗？》，在论文中爱因斯坦和罗森论证了引力波的平面波解不存在，爱因斯坦再一次推翻了自己之前的研究。但是，令爱因斯坦没有想到的是，投稿给《物理评论》杂志后，竟然收到了一份有十页之长的审稿意见，指出了爱因斯坦文章中的错误，这让爱因斯坦不能接受，他甚至没有看审稿意见的内容，就转而将论文投稿给了另一家期刊。
爱因斯坦错在了哪里呢？其实错误只是出在坐标系的选择上。坐标系的选择有时会产生非物理的奇异性，就像在球面定义经纬坐标后，在两个极点无法定义经度，其实并不是球面在物理上出现了问题。爱因斯坦意识到自己的错误之后，将原来的论文大幅改动，甚至将标题都改作《论引力波》，给出了在柱坐标下的引力波解。不过这次事件之后，爱因斯坦再也没有给《物理评论》投过稿。
图8：在极点无法定义经度。围着地球的极点走一圈就可以跨越所有时区。
在引力波是否存在的问题上，并没有因为爱因斯坦的论文发表就尘埃落定，直到爱因斯坦去世后，物理学家们还在争论引力波是否只是坐标系的波动带来的假象。
图9：2005发行的美国邮票，上面是费曼和他发明的费曼图，费曼对量子电动力学的建立做出了重要贡献。（图片来源：US Postal Service）
1957年，在美国空军的资助下，在北卡大学教堂山分校召开了一次广义相对论会议，会议的组织者就是前文提到过的惠勒。除了邀请广义相对论领域的学者，惠勒还邀请了自己的得意学生费曼，费曼在听了广义相对论研究学者们的讨论后，觉得他们会不会只是在玩数学游戏，并没有把握物理的本质。作为外行的费曼提出了一个被称为“粘珠论”（sticky bead argument）的思想实验，论证了引力波必然携带能量。论证的过程也很简单，在一根长棍子上有两颗粘性珠子，在引力波经过时，由于时空的波动，两颗珠子相对运动，由于摩擦生热，使棍子的温度升高。这一过程中产生的能量只有一个来源，也就是引力波携带的能量。这让与会的专家们茅塞顿开——引力波的实验证认是可能的！
图10：费曼的“粘珠“实验，说明了引力波可以携带能量（图片来源：Shane L. Larson）
同样参会的一位刚刚进入广义相对论领域的学者约瑟夫·韦伯则更是受到启发，做出了第一个引力波探测装置，不过这是我们将在下一篇中讲述的引力波探测的历史了。
引力波观测极简史
在进入本节的正题之前，我们先来聊聊引力波的探测方法。
引力波和物质的作用非常微弱，只能引起非常微小的长度变化。遥远的两颗恒星级黑洞的并合产生的引力波传播到地球时，引起的长度变化的量级只有物体原有长度的约万亿亿分之一。
为了探测引力波，物理学家发展出了两种主要的探测方案。第一种是利用共振质量探测器，引力波会使刚体发生微小的受迫振动，当刚体的固有振动频率与引力波的频率接近时，会发生共振，受迫振动的幅度大大增强，放大了引力波的信号；第二种则是利用迈克尔逊干涉仪，激光经过分束镜被分别两束相互垂直的光束，经过终端反射镜的反射再回到分束镜汇成一束，如果两束激光存在光程差，则会发生干涉。著名的迈克尔逊-莫雷实验就利用了干涉仪否定了以太的存在。对于测量引力波迈克尔逊干涉仪同样是一个利器。引力波经过时，干涉仪的两臂长度会产生微小的差异，如果激光再经过多次反射，臂长倍增，就可以达到很高的探测精度。
原理上引力波的探测问题好像已经解决了，但是实际中各种噪声的排除异常困难。比如激光干涉引力波天文台 （LIGO） 的列文斯顿天文台费了很大工夫才排除了附近森林里伐木带来的假信号。
图11：迈克尔逊干涉仪探测引力波的示意图。柱面引力波导致垂直方向的两臂长度不等，通过分束镜（BS）的两束激光经终端的反射镜（EM）反射到达光电二极管（PD）时经过的光程不同，发生干涉。
（图片来源：Hammond et. al.）
切入正题。
在上一节最后说到韦伯在教堂山会议上听完费曼的发言后深受启发，决定着手引力波的探测实验。作为引力波探测的先行者，韦伯推动了物理学界对引力波探测的深入研究，但是他本人的经历却令人唏嘘不已。
图12：穿着海军制服的韦伯。
（图片来源：US Navy）
在参加教堂山会议时，韦伯实际上对广义相对论是半个外行。毕业于美国海军学院的他在二战期间一直在海军服役，退役后则到了马里兰大学任电子工程学教授。1955年，韦伯在普林斯顿高等研究院访问期间结识了广义相对论专家惠勒，激起了他对引力理论的兴趣，这才转向广义相对论方面的研究。
在那次会议之后，韦伯认真思考了引力波探测的可能性。在上文介绍的两种方案中，韦伯选择了前一种，主要由于共振质量探测器需要的尺寸较小，在实验上实现较为简单。
经过了多次试验之后，韦伯和他的几位合作者建造了第一个“引力波天线”，也就是“韦伯棒”。这是一个铝合金圆柱体，长约1.5米，直径约0.66米，重约1.4吨，在铝棒的腰部围了一圈压电晶体制成的探测器，这样如果韦伯棒和引力波发生共振，产生的形变通过压电晶体就可以转化为电信号。为了排除干扰，韦伯棒被悬挂在真空腔中。但是引力波的信号非常微弱，韦伯团队花了几年的时间改进装置，就为了去除各种噪声的影响。根据韦伯自己的评估，最终韦伯棒的探测精度达到了10^-16米，比原子核的直径还小！韦伯还在距离第一个韦伯棒两公里外放置了另一个韦伯棒，进一步减小了偶然噪声的影响。
图13：正在调试韦伯棒的韦伯以及韦伯棒的示意图。
（图片来源：Cervantes-Cota et. al.）
在1967年和1968年，韦伯发表了两篇文章报告了韦伯棒的观测结果，一共给出了14个引力波的疑似信号。根据韦伯的估算，其中一个引力波信号如果是偶然发生的事件，那么每隔8000年才会出现一次。
在1969年，韦伯对自己的观测更有信心了，他的观测装置升级为了相隔1000多公里的两组韦伯棒。最新的观测结果以《发现引力辐射的证据》为题发表在《物理评论快报》上，韦伯估计其中的一个信号如果出于偶然需要7000万年才出现一次，韦伯于是宣布自己发现了引力波！
这个爆炸性的结果鼓舞了大批的物理学家，很多实验组都建设了自己的韦伯棒，然而众人的热情却被事实浇灭。除了韦伯还在不停发表文章报告新的引力波探测结果，没有任何一个别的实验组能探测到引力波信号。而韦伯自己的学术信誉也遭到质疑。在一次学术会议上，韦伯表示他猜测自己探测到的引力波信号来自银河系中心，而且由于地球自转呈现出24小时的周期性。然而韦伯犯了致命的错误：地球对于引力波应当是透明的，周期是12小时才对，加之银河系中央如果能产生这样强烈的引力辐射，损失的质量会使银河系不复存在。
随着更多引力波探测“零结果”的出现，人们不再相信韦伯。美国国家科学基金会（NSF）切断了对他的资金支持，马里兰大学也剥夺了他的教授职位，韦伯探测引力波的梦想就这样终结了。引力波探测的这一次热潮也戛然而止。
图14：马里兰大学校园里的韦伯纪念园。作为探测引力波的先驱，韦伯的贡献也并没有被忘记，他制造的韦伯棒被许多机构收藏。（图片来源：Ian A. O. M.）
随着“韦伯棒”们都慢慢积上灰尘，引力波逐渐淡出了人们的视线。然而令人意想不到的是，从加勒比海传来了令人振奋的消息，引力波存在的间接证据被找到了！
图15：在广义相对论中，物质导致时空弯曲，在弯曲时空中的运动等价于牛顿力学中物质在引力场中的运动。（图片来源：ScienceNews）
1974年暑假，马萨诸塞大学的研究生赫尔斯在导师泰勒的指导下，在波多黎各的阿雷西博望远镜进行脉冲星的探测。脉冲星是一类特殊的中子星，从两个磁极发出强烈的笔直的辐射束，由于脉冲星本身又在快速转动，观测中脉冲星就以非常稳定的周期发出脉冲辐射，因而脉冲星被称为“宇宙灯塔”。
图16：脉冲星的艺术想象图，脉冲星的周围有强磁场，两个磁极发出强烈的辐射。
（图片来源：MPIfR）
而在观测到的脉冲星中，赫尔斯发现了一颗行为异常的脉冲星，它的脉冲周期在快速变化，忽大忽小。脉冲星本身不可能发生这样的变化。赫尔斯于是推断这颗脉冲星处在一个双星系统中，两颗中子星相互绕转，多普勒效应导致了脉冲周期的变化。天文观测史上第一个双中子星系统被发现了！
而这样的一个系统正是物理学家们梦寐以求的极佳的广义相对论实验室，理论家们迅速对这个系统展开了研究。双中子星的轨道参数和两个中子星的质量都被精确计算出来。扣除轨道运动的影响后，赫尔斯发现的脉冲星的周期实际上是高度稳定的，每百万年仅变化5‰左右！这个双星系统后来就被称为“赫尔斯-泰勒双星”，并为师徒二人赢得了1993年的诺贝尔物理学奖。
图17：赫尔斯-泰勒双星的轨道衰减效应和广义相对论的预言高度吻合。
（图片来源：Cervantes-Cota et. al.）
赫尔斯-泰勒双星的轨道半长仅仅只有日地距离的1.3%，而两个中子星都比太阳还重一些。它们相互绕转产生的引力辐射足以导致可观测的轨道衰减效应，引力波带走了轨道能量，两个中子星越转越近，直到最终碰撞并合。对于其中脉冲星的跟踪观测证实了这一点，脉冲星公转周期的减小与广义相对论的预言完全吻合。引力波是否存在的争论到这里终于尘埃落定。
终于来到了引力波探测的主角：迈克尔逊激光干涉引力波天文台（LIGO）的时刻了，然而LIGO的问世并非一帆风顺，作为一个国际合作的大科学项目，LIGO却几度陷入危机之中。
2017年分享诺贝尔物理学奖的韦斯和索恩在70年代就分别在麻省理工学院和加州理工学院独立开展了利用迈克尔逊干涉仪探测引力波的研究。韦斯还和一群学生自己建造了一个小型的探测器。在1975年美国航空航天局 （NASA）组织的一次会议上，二人结识，彻夜长谈之后他们打算合作建设引力波探测器。索恩又从苏格兰的格拉斯哥大学邀请来精于实验的德雷弗。韦斯、索恩和德雷弗组成了“三驾马车”，以麻省理工学院和加州理工学院为双中心的团队基本成型。
图18：加州理工学院和麻省理工学院的LIGO实验室主页。（图片来源：加州理工学院和麻省理工学院的LIGO实验室主页截图）
在1983年，韦斯完成了激光干涉仪的前期可行性研究，并向NSF提交了一份蓝皮书，建议在两个地点分别建设臂长一千米的激光干涉仪，预计耗资七千万美元。然而这份蓝皮书却受到德雷弗的强烈反对，他认为不应该操之过急，直接建造大规模的干涉仪，而是先将他规划的40米臂长的干涉仪建设完全。这也是因为德雷弗满足于自己在小团队内的绝对权威，他可以随心将自己的灵感付诸实现。德雷弗和韦斯在理念上的不和导致项目的推进严重受阻，尽管索恩从中调解，依然不能使三驾马车劲往一处使。
在国家科学基金会NSF的干涉下，三驾马车迎来了马车夫——加州理工学院的副校长沃格特。此前沃格特曾担任喷气推进实验室的首席科学家，有丰富的管理经验。有了一位强势的管理者，项目得以快速推进，一份更成熟的提案逐渐成形，LIGO也正式得名。然而在申请经费时，LIGO项目却遇到了大麻烦，干涉仪的臂长在新的提案中被加长至4000米，需要的经费因此成倍增加，达到了两亿美元。LIGO项目尤其受到天文学家的集体抵制，因为他们认为NSF的资金如果投入LIGO项目，会使其他很多项目因资金短缺而流产。
图19：索恩、德雷弗和沃格特。
1991年，经过沃格特不懈地四处游说，美国国会终于批准了LIGO的初期拨款。然而好景不长。由于长期的不和，德雷弗在一年后离开了LIGO团队。雪上加霜的是，由于沃格特屡次拒绝NSF对LIGO项目的干涉，他也在1994年被迫离开LIGO团队。LIGO项目再次面临巨大危机，NSF甚至冻结了后续拨款。
图20：中途流产的超导超级对撞机项目建设时留下的巨型坑道。（图片来源：Superconducting Super Collider Laboratory）
在LIGO生死存亡之际，经沃格特推荐，高能物理学家巴里什临危受命，成为LIGO团队新的马车夫。巴里什此前是另一个大科学项目超导超级对撞机的负责人，这个项目在1993被美国国会取消，但巴里什积累了大量的大科学项目管理经验。接手LIGO项目后，巴里什使LIGO团队重整旗鼓，不仅使项目得以继续推进，还成功说服NSF将项目预算增加至四亿美元。巴里什对LIGO的巨大贡献也使他分享了2017年的诺贝尔奖金。
LIGO终于成功进入了建设阶段，但是人们心头始终有一个挥之不去的阴影。韦伯的前车之鉴让物理学家们对于引力波的成功探测抱持着更为谨慎的态度。LIGO会创造奇迹吗？在下一小节中将揭晓答案。
天文学的“有声”时代
LIGO项目几经波折，终于步入正轨，在汉福德和利文斯顿成功建设了两个观测站。加上意大利的另一个规模较小的、同样采用激光干涉仪技术的室女座引力波天文台（VIRGO），一个引力波观测阵列初具雏形。不仅有希望探测到引力波，还可以大致定位引力波源的方向，便于与电磁波段的观测相互印证。
图21：LIGO和VIRGO引力波天文台。右上、左下分别为利文斯顿和汉福德天文台，右下为意大利的VIRGO引力波天文台。（图片来源：LIGO/VIRGO）
2010年9月16日，LIGO的两个探测站和VIRGO都接收到了一个疑似引力波的信号，所有人都兴奋起来，引力波被发现了吗？这个事件被命名为GW100916，它的波形和双黑洞并合的波形符合很好，而且可以判断信号大致来源于大犬座的方向，因此又被称为“大狗”事件。
但是LIGO的科学家们保持了应有的谨慎，并没有急于公布结果。经过近半年的反复排查，基本排除了外来的噪声干扰导致“大狗”的信号的可能性。在2011年3月，LIGO和VIRGO举行了联合会议，科学家们满怀期待，因为这是一项达到诺奖级别的重大科学进展。然而他们却失望地得知，这次信号是被人为注入的假信号，是一次演习。虽然有些许失落，人们依旧打开香槟共同庆祝。因为“大狗”事件充分证明了LIGO完全能胜任引力波的探测工作，人们要做的只是等待真正的引力波到来。
也是在这一年，LIGO暂时停止运行，对激光器和终端的反射镜的悬挂机构进行升级，升级后的“加强版”LIGO被称为advanced LIGO（aLIGO），探测精度得到了进一步提高。VIRGO也同步进入了升级改造阶段。
2015年，aLIGO经过了各种调试和验证之后，由“工程运行”阶段即将转入“观测运行”阶段。在协调世界时 2015 年 9 月 14 日 9 时 50 分 45 秒，一束引力波信号悄悄经过了汉福德和利文斯顿，此时美国当地时间还在凌晨，并没有人注意到引力波的到来，LIGO还处于自动运行之中。而在大洋彼岸的意大利，虽然VIRGO的升级改造还没有完成，但是由于数据共享，一位博士后德拉戈发现了这个异常信号，并在LIGO的内部邮件系统中发送了一封邮件报告了他的发现，他在邮件中询问这个信号是否是人为注入。因为aLIGO此时还没有正式进入“观测运行”阶段，可能是为了测试系统而注入了假信号。
图22：GW150914的引力波信号。上半图为两个观测站得到的引力波频率图，下半图为观测和理论的波形对比。（图片来源：LIGO）
德拉戈的邮件一石激起千层浪，LIGO的科学家们都意识到这很可能就是人类历史上第一次引力波观测，但这封邮件却让LIGO的管理者们犯了难，因为收到邮件的人数过多，想对这个事件保密已经不可能了。甚至在推特上已经有人放风说LIGO成功探测到了引力波。LIGO只得在内部发布禁令，禁止成员们对外界透露更多信息。与此同时，LIGO的成员们对这一信号做了详尽的研究，排除了外来噪声干扰以及有人恶意注入的可能性，并通过引力波波形与数值相对论得到的波形库的对比，确认是双黑洞并合产生的引力波。
终于在2016年2月11日，LIGO召开发布会，宣布人类历史上第一个引力波事件探测的结果。这次引力波被命名为GW150914，由两个质量分别为36和29倍太阳质量的黑洞并合生成了一个质量为62倍太阳质量的黑洞，中间消失的3倍太阳质量在瞬间就转变为了引力波的能量，从而让我们在13亿光年之外得以“听见”这天籁之音。在发布会召开的同时，《物理评论快报》发表了LIGO的论文，甚至为了应付来自全球的巨大访问量而不得不增加了网站服务器的数量，在当天这篇论文就被下载了超过25万次！
GW150914的双黑洞并合模拟图像以及引力波的“声音”。
随着GW150914的成功探测，引力波成为了天文学家们观测宇宙的新窗口。引力波相较于电磁波的观测有独特的优势。首先，由于引力波和物质的相互作用十分微弱，在传播过程中受空间环境的影响很小，经由引力波观测可以窥见极早期的宇宙；其次，致密双星并合在极短的时间内释放巨量的能量，是宇宙中最剧烈的事件之一，而引力波的波形就像指纹一样，能够给研究者提供关于并合事件的重要信息。在GW150914事件中就可见一斑。
图23：截至到2023年4月12日，LIGO观测到的双致密星并合事件。（图片来源：LIGO）
在GW150914事件之后，LIGO源源不断地探测到新的引力波信号。其中，GW170817事件尤为特别，被视为天文学进入多信使时代的里程碑。
2017年8月17日，来自1.3亿光年之外的双中子星并合产生的引力波通过了LIGO，首先到达了利文斯顿，在3毫秒后到达汉福德。在LIGO探测到引力波信号1.74秒后，太空中的费米伽马射线望远镜探测到了历时约2秒的伽马射线暴。
图24：通过多信使观测得到的GW170817事件的基本信息。（图片来源：LIGO/VIRGO）
经过LIGO和费米望远镜的共同定位，70余个望远镜锁定了目标天区进行观测，射电、红外、可见光、紫外、X射线的望远镜一齐上阵，参与到这次史无前例的联合观测中。其中，我国的南极巡天望远镜参与了光学波段观测，“慧眼”硬X射线调制望远镜参与了X射线的后续观测。通过这次联合观测获得的丰富数据，天文学家们对这个双中子星并合事件进行了详尽的研究。其中通过光学波段的数据，天文学家们发现在中子星并合过程中产生了大量金、铂、铅等重金属元素。原来人们珍视的黄金只不过是这场绚烂的“宇宙烟花秀”中微不足道的副产物。
图25：双中子星并合的艺术想象图
（图片来源：LIGO）
GW170817完全可以被称为天文界的一次盛会，天文学家们当年反对LIGO的旧账也一笔勾销。这场规模空前的联合观测也拉开了多信使天文学时代的大幕，引力波和电磁波的多波段观测势必会极大增进我们对宇宙的认识！
随着LIGO的节节胜利，引力波天文学成为一个热门研究方向。在LIGO之外，更多引力波的探测项目被提出，引力波的探测也由此向更弱、更深、更宽频段的未来前进。
图26：引力波频谱示意图。
（图片来源：ESA）
图26展示了引力波的频谱。不同引力波源产生的引力波频率各不相同，而不同的频段也需要不同的观测技术。总体而言，引力波源的质量越大，产生的引力波频率越低，需要的探测器尺度也越大。所以对于激光干涉仪，要探测更低频率的引力波，就需要比LIGO更长的光臂。那不如把LIGO搬到天上去！欧洲南方天文台（ESA）提出的激光干涉空间天线 （LISA）计划就是由三个相同的航天器构成一个边长为二百五十万千米的等边三角形，探测的引力波频率将达到毫赫兹量级。试验卫星“LISA探路者”号已经于2015年12月发射升空。
图27：LISA卫星系统示意图。
（图片来源：ESA）
而对于更低频率的引力波，我们可以通过天然的探测器——脉冲星来探测，也就是脉冲星计时阵列（PTA）的探测方法。由多颗脉冲星的脉冲到达时间的差异，就可以判断是否有某个方向的引力波通过，这个计时阵列的“臂长”就可以达到上万光年，足以探测到超大质量黑洞并合产生的极低频引力波。另外，对于宇宙暴胀时期产生的原初引力波，会在宇宙微波背景辐射上留下蛛丝马迹，通过对磁场模式偏振的精确测量有望探测到来自宇宙最早期的引力波。
图28：脉冲星计时阵列示意图。
（图片来源：David Champion）
我国也在积极推进上述几种引力波探测项目：
空间激光干涉仪方面，由中国科学院主导的“太极”计划和中山大学主导的“天琴”计划都在稳步推进，“太极一号”和“天琴一号”试验卫星都已成功发射。脉冲星计时阵列方面，中国“天眼”射电望远镜也将探测极低频引力波列为主要科学目标（编者注：本文写作时，“中国天眼FAST探测到纳赫兹引力波存在的关键证据”这一重大成果尚未发布）。原初引力波探测方面，中国科学院高能物理研究所主导的阿里计划规划在青藏高原建设两座宇宙微波背景辐射偏振望远镜。可以说这些探测计划织就了捕捉引力波的”天罗地网“，也织就了引力波天文学的美好未来！
作者：马力