昨晚10点，全球数十家著名天文机构同时发布了一条重要消息:人类首次直接探测到来自双中子星并合的引力波。
有人可能会说，去年2月不是已经探测到引力波了吗？为什么又公布了？
这是因为两次引力波发现事件性质不同，所以意义也不同。简单用一句话来总结，上一次，人类只是感受到了引力波的存在，而这一次，他们认真地“看到”了。
今天睡吧就给大家简单介绍一下引力波，引力波观测的知识。别担心，会用最易懂的语言说的。
01什么是引力波？
如果把我们的宇宙比作一个巨大的公寓楼，那么里面各种完全不同的物质就像是脾气完全不同的房客。这些“房客”如何和谐相处？
这座宇宙公寓楼给出了四条基本规则，所有的房客都必须遵守这四条基本规则。没错，这就是宇宙中的四种基本相互作用:“引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用”。
这四种相互作用也被称为“自然的四种力”或“宇宙的基本力”。直到今天，所有观测到的关于宇宙中物质的物理现象，都可以用物理学中的这四种基本相互作用机制来描述和解释。
在这四种相互作用中，电磁力、强力和弱力在上世纪中叶已经被探测到并被证明存在。只有引力的效应一直存在于理论中，但其存在的证据:引力波一直没有被发现。
这是为什么呢？
因为引力太弱了。根据四种基本力的相对强弱:如果引力的强度设为1，那么即使是名字中带有“弱”的弱力也有10的25次方那么强大。电磁力和强度分别大到10的36次方和10的38次方。
所以，不知道的话，会发现引力波太弱了。
那么，引力波是一种什么样的波呢？
在爱因斯坦的“广义相对论”中，我们可以用一种形象化的方式来解释:时间的弯曲空，或者换句话说，质量物体加速产生的波。
如果你把时间空想象成一个巨大而扁平的沙发，当你坐在上面时，重量自然会导致沙发下垂。如果你旁边放一个小球，它会滚进你体重造成的凹陷里。
而且重量越大，沙发的凹陷越大，效果越明显(放心，睡觉又不是叫你减肥……)。
另外，如果你坐在沙发上通过超高速摄影，一帧一帧的慢下来，你会发现你在沙发上制造的凹陷是由内而外逐渐扩散的，这种扩散呈现出波动的形式。
如果用一个更明显的例子，当你把一块石头扔进平静的湖中，它会在石头入水的地方周围产生一圈涟漪。这种波纹和引力波的效果是一样的。
显然，如果以宇宙时间空作为背景，一块石头或一个人引起的引力波几乎可以忽略不计。更不用说能从几十亿光年之外被感知到。
也就是说，只有那些大得不可思议的天体，在产生惊天动地的天文现象时，才能释放出大到几十亿光年外的我们都能捕捉到的引力波。
比如超新星爆发引起的引力坍缩和伽玛射线暴，比如前阵子FAST发现的脉冲星，比如双星系统的合并，比如双黑洞的合并(去年)，或者双中子星的合并，这就是昨天刚刚发布的这个引力波观测事件的由来。
02如何捕捉引力波？
事实上，即使黑洞合并是如此震惊宇宙的大事件，当产生的引力波信号到达地球时，其强度已经很小了。
有多小？
引力波的振幅在10的负21次方以下，只有氢原子的十亿分之一大小。
振幅小到这种尺度的波动信号，别说蝴蝶拍动翅膀，就是蝴蝶放屁也相当于海啸…
那么黑科技LIGO是如何捕捉引力波的呢？
LIGO的全称是激光干涉引力波天文台，中文意思是激光干涉引力波天文台。是的，从名字就可以看出，LIGO之所以能捕捉到引力波，就是光的干涉原理。
干涉原理虽然是初中物理知识，但是被很多人遗忘了。如果没有错的话，我帮大家回忆一下，如果两个光波在传播过程中相互重叠，就会出现新的波形。如果峰谷叠加，新的波形会更强(左下)，如果峰谷偏移，新的波形甚至会消失(右下)。
反映在光强上，最亮的地方会超过原来两个光强之和，而最暗的地方可能光强为零。这种光强的重新分布被称为“干涉条纹”。
在引力波的影响下，光波的波形会有细微的变化。这时探测器就能感应到干涉条纹的变化。最理想的状态是从无到有，原本完全互相抵消。如果受到引力波的影响，就会形成干涉波形图案。
看起来是空头油，不错，但是实际操作起来非常非常困难。因为地球本身有太多的电磁噪声扰动，这些扰动比引力波大得多。这个怎么解决？
除了一些顶尖的抗干扰方法(比如精度增强10倍的新型LIGO悬挂式稳定器)，LIGO还有另外一个解决方法，就是我复制自己。
真正的LIGO系统实际上有两个相同的设备，分别位于华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿，它们相距3000多公里。这样两者采集的数据就可以通过超级计算机进行比对，通过算法可以排除很多干扰信息。
因为，同时，能影响到相隔这么远的两个地方的波动信号，基本上一定是来自于Tai 空，所以把地面上的人为信号全部去掉，重新筛选，就容易多了。
除此之外，LIGO本身就是人类历史上最精密的仪器。
首先，为了获得更清晰的干涉波形，需要激光的强度足够大，也就是功率要大。那么，增强激光功率的方法就是让激光通过许多镜子来回反射多次。
LIGO的每一面镜子都有超乎想象的反射率。对于每300万个光子，只有一个由纯二氧化硅制成的镜子会被留下，所有其他的光子都会被反射走。
此外，LIGO自己的激光臂有4公里长，但这远远不够精确。激光要经过400次反射才能达到最终的强大功率，也就是说激光臂的最终长度是1600km，如此惊人的长度才能达到最终的精度。
是的，当你把引力波的振幅乘以10的-21次方，1600km，最终的数据尺度大约是单个质子半径的大小。虽然仍然极其微小，但至少足以让我们捕捉到引力波的存在。
03这次的引力波探测有什么不同？
昨天公布的引力波探测事件是两颗中子星合并时释放的引力波。之前的观测是两个黑洞合并释放的引力波。
简而言之，它们之间有两个不同之处:
第一点是两颗中子星合并产生的引力波信号更强。虽然中子星的质量比黑洞小得多，但它们持续释放引力波的时间却比黑洞长得多，可以达到一分钟以上。然而，黑洞合并的引力波信号通常只持续一秒钟。
嗯，持久就好~
第二点是，当两个黑洞合并时，由于黑洞的超引力，无法释放光波。也就是说，这个事件是真正的“黑”。我们只能推测它是基于其他现象而产生的，却无法真正“看见”。
双中子星的合并就不一样了。它不仅会释放大量的短伽玛射线暴，还会发出巨大的新星辐射。也就是说会产生大量的电磁信号，被我们的天文望远镜观测到。
也就是说，把引力波和电磁波同时结合起来，我们就有了观测的双保险加参照，可以通过电磁波精确定位天象的位置。
嗯，大家可能都听说过黑洞，那么什么是中子星呢？
当恒星的寿命即将结束时，其核心的氢、氦、碳等元素已经在数百亿年的核聚变反应中耗尽。最后，当热辐射效应逐渐下降，产生的压力不再足以支撑外壳时，就会发生坍塌，剧烈爆炸。
根据恒星的质量不同，最终会演化成白矮星、中子星或黑洞。
中子星的直径一般是10-20公里，但是每立方厘米的物质可以重达十亿吨，所以它的重量可以达到太阳的1.35到2.1倍。也就是说，中子星的密度和原子核的密度差不多。
另外，中子星的自转速度很快，可以达到每秒一圈。
可以想象，一颗直径20公里，重量相当于两个太阳的恒星，一秒钟转一圈。这是什么样的景象...
由于自转极快，中子星本身的磁场也极强。每次自转时产生的电磁辐射扫过地球，都会形成高频信号脉冲。这颗中子星也被称为“脉冲星”。这就像迪斯科舞厅里快速旋转的灯光...
值得一提的是，世界上最大的单孔径(500m)射电望远镜——位于中国贵州的FAST望远镜，一周前刚刚探测到数十颗高质量的脉冲星候选体，其中6颗通过了国际认证。
这也是中国射电望远镜首次新发现脉冲星。
我们上面说过，脉冲星本身就是引力波的重要来源。也就是说，未来很有可能是LIGO和处女座(相当于欧洲的LIGO)发现引力波的存在，然后像FAST这样的天文望远镜观测那个位置，最终发现脉冲星、中子星并合等罕见的天文现象。
这个中子星合并是这样一个故事:
8月17日，LIGO和处女座的三个探测器相继接收到引力波信号。就在那之后1.7秒，美国宇航局的费米卫星探测到了伽马射线爆发。随后，智利的SWOPE望远镜在星系NGC4993中观测到一个明亮的光源。
这三者相互印证了宇宙中一个重要事件的出现(其实是发生在1.3亿年前，但信号刚刚到达地球……)
于是在接下来的几周里，全球各大著名天文台都将望远镜对准了这片区域，争相记录天文数据，也就是这两颗中子星的前世:
在距离地球1.3亿光年的九头蛇星系NGC4993中，两颗中子星相互吸引，越转越近。最后，他们决定为了生活的和谐而结合在一起...
大约在合并前100秒，它们相距400公里，每秒钟绕对方12圈(这个速度啧啧)，向外辐射引力波。几秒钟内，它们越转越近，直到最后连在一起，猛烈撞击，形成新的天体，并发出电磁辐射。
LIGO他们发现的是这种结合事件的引力波；世界各大天文台发现的是这种结合事件的电磁辐射。
孪生中子星合并成了什么？
目前还在观察中。一种可能性是，它已经成为一个更大的中子星或黑洞。
04引力波的发现有什么意义？
我想这大概是大众最关心的。
不过说实话，目前来看，除了在天文学、物理学等顶尖领域，对普通人来说没有直接意义。
可能很多人会这么想，那有什么好在意的呢？反正这个东西不会影响我涨工资，也不会帮我娶老婆。有了这笔钱，不如去扶贫。如果我在乎这个，我还不如读读彭于晏虞嫣和鹿晗的八卦。
真的是这样吗？
五百年前，欧洲的航海技术发展很快，但天下第一的明朝宁愿禁海也不愿花钱航海。从此，欧洲人殖民了全世界，他们的文化在海外影响深远。
三百年前，欧洲启蒙运动诞生，基础科学发展迅速，但大清人视之为奇技。但是，人们很快就产生了工业革命，把中国远远甩在后面，让我们经历了这么屈辱的历史。
现在，我们应该继续如此短视吗？只有我们周围看得见摸得着的才是利益。长远看似无涯的事，与我无关。是这样吗？
当电磁感应被法拉第发现，被麦克斯韦研究的时候，也许大众认为和我没有关系。然而，当电能最终进入应用领域时，它给世界上所有人的生活带来了难以想象的变化。
还有神经网络，人工智能，量子计算等等。那些领域的专家早在60年代就开始研究，现在终于到了应用阶段。在收获的季节，很多人才意识到XX科技是如此的强大和牛逼！
他们不知道有多少科学家和先驱为此付出了努力。
就这次双子合并引力波事件而言，中国队也是默默参与其中的。LIGO的团队得到了清华大学信息技术团队的协助。
在国内，中科院南京紫金山天文台对观测数据做了详细的分析。
在南极，中国南极考察队利用昆仑站的第二台望远镜AST3-2观测了两颗中子星的并合。
在Tai 空，中国第一颗X射线天文卫星HXMT望远镜也成功监测到了这次事件。
未来，中国自己探测引力波的顶级项目:秦天项目也将逐步完成。相比LIGO，秦天计划在Tai 空直接使用卫星进行观测。
科学界前辈们今天的努力，对目前的普通人来说可能没什么意义，但也许在十几年或者几十年后，会让人类变得更好，让人类的后代更幸福。
我们曾经忽视和落后，我们失去了探索海洋的机会。现在，我们不能再失去探索Tai 空的机会了。
