Einstein@Home:专家问答

LIGO

我们怎么知道 LIGO 一臂的长度是精确的 4 km(左右)？

实际上，干涉仪测量的是两臂长度之差。在无引力波时，它们并不都是精确的 4km 长，但那完全不影响仪器的灵敏度。

引力波观测激光干涉仪(LIGO)甚至并不真正测量两臂的长度差及其变化，它关心的是一些时间尺度上的变化。比如说，如果你以 100 Hz(周期每秒)的频率振动，像大多数脉冲星一样，它将对此特殊的振动颇为灵敏。如果你以 10 Hz 或 10,000 Hz 的频率振动，它将没那么灵敏。

为什么？

对于过高的频率，你会发现光的波动将淹没你对引力波的灵敏度。这是基本的量子波动，一般对于所有频率都是同样程度的小。但是 LIGO 的结构使得信号通过几面“镜子”产生反馈，使得高频更加难以分辨，这是为使 100 Hz 附近的信号清晰而付出的代价。

对于低的频率，所有信号都被地震噪音(来自于几百英里外的地震、车辆、脚步、海浪撞击海岸线等等的各种噪音，或者随便什么东西)淹没掉了。这很需要装上各种各样的隔离装置。它们都安放好了，而且他们的效果难以置信的好(LIGO 把钱都花在这个刀刃上了)。但当频率降低至 10 Hz 时，来自地球的噪音太大了，怎么也隔离不了；因而就有了 LISA 的计划(一个基于外太空的 LIGO)。

我知道，科学家们相信可以侦测到的引力波都来自于超大质量的物体，譬如双星系统、脉冲星及超新星等。Einstein@Home 所寻找的引力波是来源于这些波源中的某一种吗？

引力波观测激光干涉仪(LIGO)正实现对那些波源(及更多波源)的搜索，但 Einstein@Home 正在进行的是“全天脉冲星搜索”，正如你在每一个 WU(Work Unit)的页面上方所看见的。这并不是寻找你在屏幕保护上所能看得到位置的已知的脉冲星。这是对天空的一次系统的搜索，目标是从某方向来的周期性的引力波，每次只分析一个方向。每一个方向都须这样做，因为地球的运动使得频率偏移(多普勒偏移)对于天空的每一个方向都是不同的。此外还有脉冲双星的额外多普勒偏移(由于它们的轨道运动)，不过现版本的 Einstein@Home 程序仅仅寻找孤立的脉冲星。

你的 CPU 大多数时候都在做一些基于傅里叶变换的计算。傅里叶变换是一种将时域序列看成是不同频率的级数和(即频域序列)的方法。。当多普勒偏移去除后，脉冲星的信号应当近乎是正弦曲线的样子，所以傅里叶变换可以很容易的去除多普勒效应。傅里叶变换在数字计算上颇为有效，但在全天搜索中傅里叶变换的使用多得让人头皮发麻。这就是为什么 Einstein@Home 用于做这项搜寻工作，而不是像对已知的脉冲星的搜寻，那在一部电脑上就可以很快完成。

以后 Einstein@Home 可能会做点其它的搜索，但对于现正进行的搜索是最适合的(至少是现在)达成了共识，因为：(1)这在 CPU 周期里是最为耗费的，因此也是对于你们大家贡献出来的庞大的计算力的最佳使用的地方，及(2)人们很可能会更为激动于寻找一些远比在无线电、X射线等等之中露面了很多年了的脉冲星要新鲜的东西。我还认为(3)我们已经知道一些无线电脉冲星等等的方位，但一个预先不知道的(其无线电脉冲束并不直指地球)可能刚好接近我们，因此形成一个更强的引力波源。对于我们已知的引力波源，我们预定好了我们的长期目标，但我们仍祈求能有一个愉快的惊喜。

用干涉测量的术语来说，LIGO 和德国探测器间的基线长度是否足够长，从而能精确定位引力波源的位置？Einstein@home 的屏保中显示了一个天空中的当前探索位置，这个位置是怎么来的？这让人感觉它是一个主动的观测系统而不是一个被动的、先探测到波然后试图定位波源的系统。是我理解错了吗？

物理上来讲，LIGO 是被动的。造在哪就在哪了。所谓的“指向”仅存在于数据处理的过程中。

具体的过程依赖于波源的类型。你可能会猜测：造两个 LIGO，然后使用类似三角测量的方法来确定一个方向。对于短期的信号来说，基本可以这样认为，虽然这样得到的方向性并不太好。LIGO 更象是耳朵而不是眼睛，因为引力波的波长要比探测器的尺寸来得大，如果你试图闭上眼睛，除了看不见，你也会发现没法定位声音的来源。

但是对于 Einsein@home 正在搜寻的长期信号来说就不一样了。即使你开始时探测到一个完美的正弦波信号，等到记录它的时候可就是另外一个样子了。探测器固定在地球上，而地球除了每天绕着自身转一圈，每年还要绕着太阳转一个大圈。这种运动使得信号的频率变得很复杂(多普勒偏移)，依赖于时间和当时在天空中的位置。举例来说，在北极上空的波源不会因为每日的自旋而产生多普勒偏移，但却会被地球绕太阳运行所影响。另外，它也并不依赖于在探测器间是否有足够长的基线，虽然后者在其它方面有好处，它仅仅依赖于地球的运动。

有了这些复杂的多普勒偏移，就有了角分辨率的问题。数据分析中比较对多普勒偏移进行补偿以使信号尽可能地接近正弦曲线，以方便从噪音中提取真正的信号(通过傅立叶变换)。对于任一天空位置，都必须做一次多普勒偏移补偿，再进行傅立叶变换才能知道是否有我们需要的信号；对于另一个位置，同样也得先进行多普勒偏移补偿再进行傅立叶变换，等等。对于深入的研究，即使是天空中位置的小小变换，相应的多普勒偏移也是不同的，如果处理不对，什么有用的信号都观测不到。最后的结果就是我们有大量的天空位置需要进行搜寻。

因此，原始的数据里面包含了全天空的信号，分析代码在天球上选择一个点，对其进行多普勒偏移补偿，然后寻找周期性的信号。除了该点附近相当小的区域，其它部分的信号在这个校正过程都被去除掉了，然后代码再挑选另外一个点进行分析，再另外一个，再...

然后问题来了，更灵敏的搜寻需要更多的天空位置，也就是需要更多的计算能力，于是就有了 Einstein@Home 项目。：）

有没有直接探测到过引力波而不是探测其效应？

还没有。第一次对引力波的间接的证明是在观察互相绕对方旋转的双中子星时找到的，双星轨道的收缩速度精确地符合由引力波导出的收缩速度。从那时到现在已经 13 年了，我们还找到了大量其它类似的系统，但我们仍然没有直接探测到引力波。

下一个问题可能就是“那我们什么时候才能探测到些什么？”。这要看你在问谁，答案如此多样，以至于立博公司的那些经纪人也会拒绝下注。在接下来的五年我们能看到些什么的几率不大，但在那之后，当 LIGO 升级、LISA 飞船(可以认为就是太空中的 LIGO)发射后，我们的机会将大很多。如果到那时还什么都探测不到，那就比只探测到哪怕一个信号都更具有革命性！

为什么会有这么大的不确定性？基本上我们对于产生引力波(在 LIGO 可以看见的频率范围)的事物的了解并不像其它观测手段那样多。射电天文学家可以告诉我们银河系中几千个中子星的各类属性，X射线或其它天文学家也能告诉我们其它更多的。

但是只有少量的中子星是和其它中子星靠得足够近并显示出引力波存在的证据。根据我们对恒星生命周期的了解，应该还有非常多的不能通过射电或其它方法看到的双星。你可以试图去估计有多少中子星是用射电方法看不到而 LIGO 可以看到的，但这有非常大的不确定性。这就好比你想通过十个体形相当的美国人来估算美国的人口，这样的样例显然是不具有代表性的。

如果你试图猜测有多少中子星正在放射出引力波(也就是我们在 Einstein@Home 项目中所寻找的)，这将会相当困难，因为我们对它们几乎没有什么了解。类似的还有黑洞、超新星等等。但如果你反过来想想，这也意味着如果我们探测到引力波，我们将能开始了解这些目前还不能通过其它途径去研究的事物，这是多么地有趣啊。 ：）