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小火箭出品
本文作者：邢强博士
本文共5634字，50图。预计阅读时间：30分钟。
这几天，引力波这个词实在是非常有热度。引力波从大家小范围的探讨到成为公众话题，仅仅用了不到2年的时间。今年（2017年）的诺贝尔物理学奖终于颁给了引力波相关的研究团队。而昨晚刚刚公布的大新闻，更是把引力波和电磁波的观测第一次真正结合了起来。
小火箭在本文要和大家一起探讨以下几个问题：
什么是引力波？
人类是怎样观测引力波的？
这次发现对人类意味着什么？
新时代的开启与小火箭的展望！
引力波
协调世界时公元2015年12月3日04点04分00秒，欧空局的一枚织女星运载火箭从法属圭亚那库鲁航天中心成功发射。
这枚火箭运载的载荷是LISA探路者号科学试验卫星。这颗总投资为4亿欧元的卫星在太空进行有关激光干涉的空间试验，为计划在2034年发射的引力波天文台的相关技术做验证。
根据爱因斯坦广义相对论的描述，引力本质上是时空扭曲所产生的一种现象。而这种扭曲是由质量引起的。
当物质在时空中运动时，附近空间的曲率就会随之改变。大质量物体运动时所产生的曲率变化会以光速像波一样向外传播。
这种波就是引力波。
有关相对论的内容，小火箭的好友们一定已经再熟悉不过了。
我们在设计洲际弹道导弹的时候，对制导控制系统有着非常高的要求。在现代战场环境下，传统的百米量级的打击精度必然要让位给几十米甚至是几米级的打击精度。
毕竟，从导弹作战效能的角度来说，打击精度提高一个量级等效于弹头当量提升两个量级。
如何最大限度地提升洲际弹道导弹的打击精度呢？
除了从提高惯性导航系统的精度的角度来努力外，我们还会借助卫星导航系统或者星光来对导弹的弹道进行修正。
如今，GPS或者北斗导航系统的精度都早就已经达到30米以内的量级，在设计此类弹道甚至是导航系统本身的时候，狭义相对论和广义相对论都是必须要考虑的因素。
小火箭以GPS卫星为例：在轨道上，每颗GPS卫星的飞行速度非常快。如果换算成汽车火车惯用的时速单位的话，为1.4万公里/小时。
以这样的速度飞行，狭义相对论效应不可忽略，每天GPS上的时钟都会因为这样的速度而比地面的时钟慢7微秒。
但是，根据广义相对论，GPS上的时钟因为比地球表面的时钟受到的地球引力的影响要小，其时钟每天比地面上的要快45微秒。
综合算起来，GPS的时钟每天比地面的时钟要快38微秒。对于以光速飞行的电磁波来说，这样的时钟误差带来的定位误差为：10公里。
因此，为了精确制导能够准确命中目标，当然也为了开着手机导航软件的人能够准确找到目的地，GPS卫星上的时钟需要每天回拨38微秒。
这是一枚2017年8月2日凌晨2点10分在范登堡空军基地发射升空的民兵III型洲际弹道导弹。正是对相对论效应的考虑，现代洲际弹道导弹才能达到今天这样的精度。
既然广义相对论理论都已经得到了应用，那么发现引力波还有那么大的意义么？
有的！
从诞生到现在的一百多年的时间里，相对论实际上给我们认识这个世界提供了新的角度，而且这个角度比牛顿老爷子早些年的经典力学框架更加符合我们对宇宙的观测结果。
上图为爱因斯坦广义相对论的手稿。
这是爱因斯坦给出的引力方程，与牛顿老爷子的平方反比万有引力公式长得确实不太像。不过，放在各自的时代背景下，二者都是伟大的。
根据广义相对论，引力会造成空间的变化，光线在穿过引力场时，会发生偏折，如同经过一块透镜一般。
上图为飞马座内的引力透镜效应呈现的遥远类星体的四重影像。
小火箭风格：具体位置为：
天球赤经：22h 40m 31s，赤纬：+03° 21′ 30.3″。
这就是典型的引力透镜效应。
考虑到和小火箭一起做流体力学计算和制导控制系统设计的好友对黎曼张量和微分几何已经有了一定的了解。本文就只试着计算一下引力透镜，给出结果吧！
这是我利用小火箭计算中心的计算能力，使用广义相对论的相关理论计算和绘制的宇宙空间中的引力透镜现象。
小火箭计算中心的主业是运载火箭与洲际弹道导弹的总体优化与弹道设计，用广义相对论的理论来对宇宙图景进行展示尚属首次，让相关专业的同行见笑了。
说了这么多，大家也就大概明白了小火箭要表达的：
广义相对论发展到了今天，在一百多年的发展历程中，部分理论已经得到了应用，如GPS；部分理论得到了观测验证，如引力透镜；部分理论正在观测和探讨中，如引力波。
让大家在研究生的生涯中头痛不已的法国数学家庞加莱，对三体问题和混沌理论颇有研究。而他早在1905年就提出了这样的设想：就像运动的电荷会产生电磁波一样，运动的质量也会产生引力波。
爱因斯坦觉得这个猜想非常靠谱。
1915年，爱因斯坦发表了广义相对论。此时，他已经36岁了。对于一位科研人员来说，爱因斯坦博士已经非常高龄了。
但是他依然坚持要弄明白引力波。
而他这一研究，就坚持了21年。
1936年，爱因斯坦发表了《引力波存在吗？》这篇论文。后来，论文被修改为《论引力波》。
57岁的爱因斯坦对引力波进行了探讨，并给出了不少猜测。
引力波，这时空的涟漪成为了纠缠人类一百多年的难题，也终将成为了人类了解宇宙的一把钥匙。
观测
引力波是时空的涟漪，但是想要观测到这样的涟漪，则实属不易。宇宙的创造者不会轻易向人类透露太多细节，毕竟，对于人类来说，这已经非常接近时空的本质属性了。
这是NASA（美国宇航局）用超级计算机模拟的宇宙中两个黑洞在相互融合过程中产生的引力波。
（受计算设备硬件的限制，小火箭计算中心尚不能给出拥有如此细节的图景，但是，相信2020年之前，第三次升级的小火箭计算中心将具备相当的水平。）
但是，对于引力波，总归还是能够直接观测到为好。X射线天文学就是因为能够提供大家可以直接品鉴的图像而逐渐发展起来的。
上图的红色部分为天文望远镜的可见光频段的影像，蓝色部分为叠加的钱德拉望远镜的X射线频段的影像。红蓝叠加后，构成了蟹状星云的照片。该星云中心的脉冲星产生的引力波正等着人类去观测呢！
有关X射线天文学，详见小火箭的公号文章《从一枚婚戒与一枚V-2导弹说起：小火箭简述人类用X射线了解宇宙的历史》《今朝梦圆！中国首台硬X射线太空望远镜升空！》。
从爱因斯坦提出引力波的详细理论以来，全球科学家就争先恐后地去试着观测。但是，囿于当时的技术水平和加工工艺水平，设备精度远未达到观测引力波所需的
在美国国家科学基金会的催促下（有关该基金会，详见小火箭的公号文章《小火箭讲述人类第一颗人造卫星的传奇》），美国加州理工学院与麻省理工学院联手了。
他们在1984年签署了一份合约，准备合作设计与建造激光干涉引力波天文台（LIGO）。1990年，LIGO计划获得批准。1994年开始动工， 1999年完工。
为了筛除干扰信号，这样的天文台，建了两座几乎一模一样的，相距3000公里。只有两座天文台同时收到信号，才会认为是与引力波相关的信号。上图为位于华盛顿州的LIGO。
这是位于路易斯安那州的LIGO。
2002年，两座LIGO正式开机探测。
8年后，到了2010年，两台LIGO宣布关机。
一无所获！人们并未探测到引力波。
天哪！大量洲际弹道导弹的制导控制系统就出自加州理工学院和麻省理工学院。就连美国海军三叉戟潜射洲际弹道导弹的最新改进合同也是交给麻省理工学院来完成的。
这两所大学联手研制的系统，居然精度和灵敏度依然不够！
总结了经验教训后，麻省理工和加州理工在2010年到2014年，用了整整4年的时间来改进LIGO。
如今，这个版本的LIGO天文台的灵敏度是之前的10倍以上了。
功夫不负有心人！
公元2015年9月14日，人类终于首次观测到了引力波！
上图左侧为华盛顿州的LIGO的观测结果，右侧为路易斯安那州的LIGO的观测结果。两台相距3000公里的设备相互验证了观测结果。
两个质量分别相当于36个太阳和29个太阳的黑洞合并时发出了引力波。两个黑洞合并成了一个旋转黑洞，大量物质转化成了能量，并且有相当一部分以引力波的形式向宇宙中释放，并最终在2015年9月14日被人类“听到”。
从此，这个持续0.2秒的发现让我们这一代人成为了爱因斯坦生前梦寐以求的生活在能够观测到引力波的时代中的人。
这个引力波被命名为GW150914，其中GW是引力波Gravitational Waves的缩写，而150914表示这是2015年9月14日被人类发现的。
3个月后，在2015年12月，人类第二次观测到了引力波GW20151226。
2017年1月，LIGO第三次单独探测到引力波GW20170104。
这次的引力波事件是由两个恒星质量级的黑洞碰撞所产生的，其中一个的质量约为太阳的31倍，另一个则是太阳质量的19倍。
根据探测结果，科学家推算出这两个黑洞在最终融合成一个约为太阳质量49倍的黑洞之前，围绕对方相互旋转了6次。
上图为艺术家根据科学家的描述再现的碰撞瞬间的场景。
2017年8月14日，人类第四次观测到引力波。
说起来可能要求有些过分，但是，我们更想要看到的是中子星的碰撞所产生的引力波。
为什么呢？
因为黑洞的逃逸速度太大了，可见光是跑不出来的。我们只能从黑洞释放出的大量X射线来看揣测黑洞。而中子星是可以通过天文望远镜直接观测的。
如果可以逮到中子星碰撞的瞬间，而且此时正好有其他天文望远镜在观测这个区域，人类就能既可借助引力波，听到宇宙的最强音，又能借助可见光来看到这个壮丽的时刻了！
结果，或许是造物主开了恩，这个瞬间，居然在咱们的有生之年，甚至是在人类第四次观测到引力波之后第3天，就来了。
惊喜
小火箭努力还原2017年8月份到底发生了什么，让全世界科学家在2017年10月16日突然格外兴奋吧！
2017年8月17日，LIGO探测器自动报告出现信号污染。
然而，科学家在仔细核验数据后，认定信号干扰强度并不大。
就在这个时候，LIGO系统突然自动报告。软件自动判定，发现第5个引力波！
GW20170817就这样诞生了！
好戏才刚刚开始。
早些年，人类为了观测宇宙中充满神秘能量的伽马射线暴而专门研制了费米太空望远镜。
2008年6月11日，费米太空望远镜搭乘德尔塔运载火箭进入太空。
费米太空望远镜在这9年来，工作成果可以说是中规中矩。之前比较大的发现是对船帆座脉冲星的观测。上图的闪烁恰好是一个伽马射线周期。
在2017年8月17日，费米太空望远镜在太空正常执行巡天任务。
突然，她向地球报告：
发现伽马射线暴！自动命名为GRB170817A！
这个消息瞬间就传给了LIGO的科学家们。
要知道，这场伽马射线暴的发现距离LIGO探测器报告第5次引力波只有1.7秒！
大家强忍着兴奋的心情，开始记录数据。LIGO和费米发现的，很有可能是同一个天体系统，引力波与电磁波的联合观测的科学圣杯或许在今天就能拿到！
LIGO和费米的团队向全世界科学家通报了这个情况。
一切不用解释，从1905年庞加莱博士提出设想以来，人类为这个时刻已经足足等了112年！
这是位于欧洲的室女座大型激光干涉仪，由法国、意大利、荷兰、波兰与匈牙利5个国家共同出资建设。
在2017年8月1日，这台干涉仪刚刚完成类似美国LIGO干涉仪的升级，灵敏度也提高了10倍以上。
在接到美国同行发来的消息后，室女座干涉仪的团队马上兴奋了起来。
要知道，升级后的设备刚刚度过半个月的调试期，可以说是崭新的。没想到，刚刚成为世界上第3台大型激光干涉仪的室女座就迎来这样关键的时刻。
中国科学家也在第一时间得到了消息，并且给出了快速的反应。
北京时间2017年6月15日11时00分，我国在酒泉卫星发射中心用长征四号乙运载火箭，成功发射硬Ｘ射线调制望远镜卫星HXMT“慧眼”。
中国HXMT太空X射线望远镜准确定位了引力波所在天区，并对伽马射线的辐射性质给出了描述。
中国南极科考站昆仑站建在海拔4087米的南极高原上，是中国第一座、世界第六座南极内陆科考站，也是人类在南极地区建立的海拔最高的科考站。
接到消息后，昆仑站的科考人员立即启动了AST3-2天文望远镜进行观测。
中国昆仑站拥有南极洲口径最大的光学天文望远镜。这次观测一直持续到了8月28日。确定双中子星系统喷射出了约1%个太阳的物质（相当于3000个地球）。
全世界有70多个太空望远镜和地面望远镜共同参与这次千载难逢的观测机会。
在LIGO系统自动报告第5次发现引力波的11个小时之后，位于智利的斯沃普望远镜那里传来了好消息。
这台口径1米的天文望远镜报告：
锁定引力波来源，为NGC4993星系的双中子星系统！
一锤定音。
这是人类第一次同时用引力波和电磁波的两种方式结合起来观测宇宙中的壮美图景。
70多台天文望远镜，从太空，从智利高原，从南极冰盖，从大漠，从草原，从世界各地和太空中的多个轨道，用伽马射线、X射线、紫外线、可见光、红外线和无线电射电波等多种手段，几乎用到了人类文明发展至今能够拿得出的所有观测手段来捧起探索太空的这个圣杯。
你好，NGC4993，你汇聚了人类有史以来最为强大的眼睛和耳朵。上图为哈勃太空望远镜持续拍摄的2017年8月下旬的NGC4993，也就是人类最新一次发现的引力波的源头。
展望
通过这次观测，人类明确了之前的猜测：原来，中子星的碰撞与合并是黄金白银这样的贵金属的主要来源之一！
小火箭的好友以后陪着姑娘逛首饰店的时候，或许可以这样说：
你知道么，这些金属大多来自中子星的碰撞噢！
通过这次观测，人类终于用多个频段和多种方法观测到了双中子星合并的过程。
电磁波和引力波，人类探索宇宙的眼睛与耳朵，在这一刻，实现了协同。
人类终于结束了以往太空探索中类似盲人摸象的方式，而开启了多信使观测的新时代。
在距离我们1.3亿光年的长蛇座，NGC4993星系中的两颗中子星绕着对方快速旋转。在并合前约100秒，她们相距400公里，每秒钟互相绕转12圈，并向外大量辐射引力波。
然后，她们越来越靠近，在猛烈地爆炸之后，最终融为一体。在这个过程中，大量电磁辐射被放射出来。
1.3亿年前的这次大碰撞，给人类带来了了解宇宙的新契机。
人类可以通过3台大型激光干涉仪对引力波测量的时间差来快速定位引力波的来源，这相当于人类用两只耳朵的立体声效果来判断声音来源。
只不过，地球拥有的是三只耳朵。未来，随着日本和澳大利亚的干涉仪的加入，地球的耳朵会越来越多。
另外还有70多台先进的天文望远镜充当地球的眼睛。
人类观测宇宙的手段将会越来越多。
小火箭期待人类在愈发了解宇宙的基础上，变得更加了解自己。
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