物理学与天文学追寻百年的圣杯──重力波Q&A

重力波（维基百科）

问：那麽我们到底要如何探测重力波？

1974年的时候，科学家发现史上第一个脉冲双星系统「赫尔斯─泰勒脉冲双星」（Hulse－Taylor binary pulsar），发现这两颗中子星的公转周期和距离会逐渐变小，原因显然是它们以重力波的形式损失能量。这是人类首次发现重力波存在的间接定量证据，两位科学家因此荣获1993年的诺贝尔物理学奖。

至於直接探测，更是历尽艰辛。1960年代，美国马里兰大学的韦伯（Joseph Weber）制造铝质实心圆柱「共振质量探测器」是第一架实际投入应用的重力波探测器，但是效果并不理想。

多年来，地面与太空的天文望远镜则是聚焦宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background，CMB），试图察觉重力波的效应。

2014年3月17日，哈佛─史密松天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics，CfA）的天文学家宣布利用位於南极的「第二代宇宙泛星系偏振背景成像」（BICEP2）探测器，在CMB中观测到重力波效应，但後来的分析验证无法排除星际尘埃的可能。

另一种方法是观测物体之间距离极细微的变化。重力波通过物体时，在其行进方向，会造成物体的伸展与挤压。LIGO与其位於义大利的姊妹探测器「VIRGO」就是要探测这种效应。

雷射干涉重力波天文台（LIGO）（维基百科）

1991年，麻省理工学院（MIT）与加州理工学院（Caltech）在美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）的资助下开始建设LIGO。其主要部分是两个互相垂直的长臂，每个臂长4000公尺，臂的末端悬挂着反射镜，大功率雷射束在臂中来回反射大约50次，使等效臂长大大增加，形成干涉条纹。重力波会造成光程差发生变化，导致干涉条纹发生移动。

为了消除地震对系统带来的干扰，LIGO光学装置安装在结构复杂的防振台上。为降低空气分子热运动的影响，内部抽成10的负12次方大气压的真空。此外LIGO还在路易斯安那州和华盛顿州建造两个相同的探测器，彼此相距3000公里，只有两个探测器同时接收到的资讯，才有可能是重力波的信号。