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。 ：）

如果在先进 LIGO 投入使用后仍然找不到引力波，物理学家们将会怎么办？他们会放弃搜索还是对理论进行修改？

如果先进 LIGO 在一两年后还探测不到任何引力波信号，这将比能探测到还更具有革命性，不过我现在仍认为信号应该是能探测到的。

原因之一是我们已经有了大量的间接证据可以证明引力波的存在，关于这一点，之前的一个提问里我也稍微提到过，下面我再详细讲一讲：

最其名的例子就是哈尔斯-泰勒脉冲星。这是一个双星系统，也就是两颗互相围绕对方运转的中子星。因为其中一颗星体发出的射电信号会在星体旋转时扫过地球，我们就可以观测到一个周期性的射电信号。这个信号就像好比全球定位系统的时钟，我们就可以由此跟踪星体的运行，而这个信号告诉我们它们正在以螺旋形式互相靠近，也就是说它们的运行轨道正在缓慢地缩小。由于发射引力波导致的轨道收缩和我们的观测结果相当一致，因此这是爱因斯坦理论的一个相当强有力的证据。因为这个发现，哈尔斯和泰勒最终获得了1993年的诺贝尔奖。

从那时起，随着射电搜索技术的进步，我们已经发现了更多类似的双星。但这些特殊的双星用LIGO是不能探测到的，它只能探测到双星在合并前最后几分钟的运行情况，不过我们知道一定还有更多我们用射电方法找不到的双星，比如某些脉冲星的波束并没有指向我们，而引力波产生时是在各个方向上都有的，这就可用来估计 LIGO 每年可以探测的螺旋运行数目。加上我们从观测结果中得到的推断(比如超新星爆炸后将普通星体转变为中子星的几率)以及天体物理学家的计算(比如超新星分解为双星的几率)，我们估计出每个星系中每几十万年应该会发生几次双星合并。既然高级 LIGO 可以看到数以百万计的星系，我们认为每年应该可以观测到几十次的双星合并。这个数字有一定的不确定性，但再怎么少，一年一次总归是有的。

因此，如果先进 LIGO 在一年后还探测不到一次双星合并，我们并不会想去修改相对论，我们会开始好好审视一下我们对恒星生命周期的理解。而 LIGO 的观测也会继续，因为即便没有信号，我们也可以设定一个上限，我将在下一部分中继续讨论这个主题。

引力波源

一个所谓的固体夸克星体会在受到“短时脉冲波形干扰”后由于瞬间惯性的改变而产生引力波？这一发现能够证明或者排除那些陌生的夸克星体的存在吗？

“短时脉冲波形干扰”一词是当无线电天文学家发现脉冲星的频率突然跳跃而命名的。在大多数情况下，脉冲星在以电磁波(无线电，光等)和重力波的形式释放能量和角动量，所以它的频率会连续的下降(而且非常慢)。但“短时脉冲波形干扰”并不发生在全液体的星体上，所以观测的资料使我们了解到只有一部分的星体是固态的。基本上，只要某些部分会爆裂和结构突然变化。那些部分就很可能是固态部分的本身，也可能是固态部分和液态部分互相作用产生的现象。

中子星大部分是液体，在表层只有一层薄薄的固体外壳。但一些脉冲星的密集程度使夸克自由组合更胜于把三个中子限制于一组。况且，夸克星体的变化比(那些已经很复杂的)中子星更难预测。而现今，夸克星体已经被普遍认为是由大量气体组成，表面覆盖着一层薄薄的固态外壳的星体，但也有可能它们是完全固态的。

在“短时脉冲波形干扰”突然干扰之后，整个星体会像铃一样响起振动，它的运动将会产生引力波。从那些精准的振动可以大体上分析出星体的结构，就像某些地方是固态或者说它们的组成是什么。但遗憾的是，这些信号实在太弱了，以至现代的仪器不能准确地测出，甚至下一代的仪器也未必。而且，那些信号不会持续太长，这使得它们更难侦测。

但是 Einstein@Home 会在“短时脉冲波形干扰”之前侦测它。那怕是固体部分爆裂出的一块。如果真的是这样，当它旋转时会不断地产生重力波。而长久持续的时间能够是我们侦测出那信号，虽然我们需要利用大量的计算能力才能达到那一点。那就是我们邀请你们参与 Einstein@Home 的原因。由于从夸克星体发出的信号会比中子星强一点，或许那个久远的信号将会告诉我们它是中子星或是其它什么的。

既然对称的结构不会产生引力波，那为了从脉冲星探测到引力波，是不是脉冲星必须是绕轴进动的？

邮件中有两个问题，我将一个个回答。

进动的星体确实会辐射引力波，但它们并非唯一的选择。绕旋转轴的任何不对称都会导致引力波的产生。

如果你还不了解“进动”这个词，进动指的是物体绕它的旋转轴有非球形的摆动。想一想橄榄球：如果扔得好，它将绕它的长轴稳定的自旋；如果扔坏了，它的自旋轴将偏离长轴而摆动起来。星体是绕着短轴自旋的，但它们也会同样地摆动。

不过，LIGO 可能根本探测不到这种进动。已知的进动中子星非常稀少 - 一般说来，除非它们被什么给击中，然后偏离原来的转轴，而这在太空中发生的可能性并不大，另外，它们的进动频率对 LIGO 来说也太低了。高频率的进动也可能由撞击产生，不过中子星坚硬的外壳将使这种高频进动很快就停下来。

尽管诞生于超新星爆炸中的中子星有坚硬的外壳，它们的表面可能也存在山脉。山脉也可以像进动那样产生四极不对称，因此它们也将辐射引力波。一般认为四极矩要比质量与半径平方的乘积要小得多，但是最大的山脉仍然可能产生足够让 LIGO 探测到的引力波。(部分也由于这里没有频率上的限制。)

硬壳下的流体也会辐射引力波，而且一种称为“R模式”的流体甚至可以依赖其自身产生的辐射而维持运行。这种现象目前还只是一种大胆的猜想，但如果我们能探测到它，我们将可以验证相对论的奇怪预言之一并且对中子星内部的奇妙物质有更多的了解。

是否有估算过引力波的传播速度？

爱因斯坦认为引力波应该是以光速来进行传播的。注意：是真空中的光速，而不是在介质中被减慢的光速。或者你也可以说是光是以引力波的速度来传播的：因为引力决定了时空结构，而后者又决定了物质的移动方式，当然，这也包括光的传播。

但这还并不是全部。光在介质中传播时会因为与原子的量子交互作用而减慢。我们通常会认为玻璃是一种连续的介质，但如果从比一根头发的精细度还要小一百万倍的尺度上看就不是这样了。在这个尺度上分布着大量的原子，光会与这些原子产生交互。改变原子的类型，甚至是改变同一种原子的排列方式，都能极大地影响光的行为。影响的程度依赖于光的波长。某些波长的光几乎可以像在真空中一样快速的穿过，而其它一些则可能完全无法通过。

类似的情况也可能发生在引力波身上。爱因斯坦将时空结构看成一块连续的区域，但是在比原子间间隔的百万分之一再百万分之一的尺度上，量子力学的效应将更为显著。爱因斯坦并没有找到将量子力学与引力结合起来的理论。即便是今天我们也没法做到，但我们推测时空结构在非常小的尺度上也有类似物质中原子的结构。那样某些波长的引力波就会像介质中的光一样走得慢一些。(另外，特定波长的光在真空中也会慢下来。)

因为这个尺度非常之小，要对这种效应进行观察将非常困难。大部分的人都预言 LIGO 和 LISA(也就是太空中的 LIGO)将永远都无法得到什么结果，因为在仪器的敏感波长范围内引力波的效应可能是相当微弱的。不过人们仍然会观察，而且对来自天体的光效应的寻找已经开始。这可能需要相当长的时间，但一旦有人观察到，这将是牵涉到量子引力理论的第一个观察结果。爱因斯坦在他一半的生命中都在寻找它，因此如果有人发现了以光速传播的引力波，你将肯定会在新闻中听到！