引力波

引力波是时空曲率的涟漪，以光速传播，由加速的质量（如轨道上的致密天体）产生，现已被直接探测到，为我们打开了认识宇宙的新窗口。

Definition

引力波是时空度规的传播性横向扰动，是线性化爱因斯坦方程的解，它们将能量和动量从加速的、非球对称的质量分布中带走，并拉伸和压缩自由落体检验质量之间的距离。

Scope

该领域涵盖引力辐射理论：线性化爱因斯坦方程及其波解，两种横向偏振以及通过的波对自由质量的影响，辐射的四极公式，天体物理源，以及用于探测引力波并读取其源属性的激光干涉仪和脉冲星计时技术。

Sub-topics

• 双星旋近与致密并合
• 引力波探测
• 引力波源
• 线性化引力与波解

Core questions

• 爱因斯坦方程如何预测波状解，它们传播的速度有多快？
• 哪些类型的天体物理系统会发出可探测的引力波？
• 如此微小的时空畸变如何测量？
• 探测引力波揭示了哪些新的天体物理学？

Key concepts

• 线性化爱因斯坦方程
• 横向无迹规范
• 两种偏振（加和叉）
• 四极公式
• 应变
• 多信使天文学

Key theories

线性化引力与波解

在平坦时空周围展开度规并选择合适的规范，将爱因斯坦方程简化为波动方程，其解是具有两种偏振、以光速传播的横向无迹引力波。

四极公式

在领先阶，源的引力波光度由其质量四极矩的三阶时间导数决定，因此只有非球形、加速的质量分布才会辐射，且辐射通常非常微弱。

Clinical relevance

引力波天文学已成为一门观测科学：对合并黑洞和中子星的探测在强场动力学机制下检验了广义相对论，测量了致密天体的质量和自旋，为宇宙膨胀率提供了一条独立的途径，并且当与光结合时，能够对宇宙爆发进行多信使研究。

History

爱因斯坦在1916年预言了引力波，并长期怀疑其真实性；间接证据来自20世纪70年代赫尔斯-泰勒双脉冲星的轨道衰减，经过数十年的探测器发展，LIGO干涉仪在2015年首次直接探测到黑洞合并，并因此获得了2017年诺贝尔奖。

Debates

引力波的真实性和能量

几十年来，引力波是物理实体还是纯粹的规范，以及它们是否携带能量一直存在争议；“粘珠论证”和最终的探测证实了它们是真实的并传输能量，尽管引力能量局域化的微妙之处依然存在。

Key figures

• Albert Einstein
• Joseph Weber
• Rainer Weiss
• Kip Thorne
• Barry Barish

Seminal works

• einstein1916b
• abbott2016

Frequently asked questions

引力波通过时会产生什么物理效应？

它会交替地在一个横向方向上拉伸空间，同时在垂直方向上压缩空间，使自由落体质量之间的距离发生微小的分数变化；这种振荡应变正是干涉仪旨在测量的。

为什么引力波如此难以探测？

引力极其微弱，因此即使是剧烈的天体物理事件，在地球上产生的应变也只有10^21分之一的量级，这需要千米级的干涉仪，并对所有竞争性噪声源进行稳定，才能感知比质子宽度小得多的距离变化。