引力波的源和类型

每一个拥有质量的物体，包括人类、汽车、飞机等，在运动状态产生变化时都会产生引力波。然而，由于地球上的物体质量和加速度都太小，以至于无法产生可被我们的仪器探测到的引力波。为了能观测到引力波，我们必须将目光远离地球，甚至太阳系，去宇宙的深处寻找可以产生足够强度引力波的天体。

哈勃空间望远镜拍摄到的蟹状星云可见光照片

事实证明，宇宙中布满了大量令我们难以想象的大质量天体。理论上，它们如果经历快速的运动变化，就可以产生可探测的引力波信号。这些现象可以来源于两个相互绕转的黑洞或中子星，或者大质量恒星死亡时的爆发。科学家根据产生引力波的不同来源定义了四类引力波：持续源、致密双星并合、随机引力源和爆发源。每一类引力波源都会生成独特的的信号，可能被不同的探测器捕捉到。研究人员需要在激光干涉仪记录的庞大观测数据中去寻找这些微弱的引力波信号。

持续引力波源

艺术家描绘的中子星

持续引力波源可能来源于一个快速旋转的大质量物体，例如中子星。假设在这类天体上有类似于地球上的山脉或者洼地的话，使得其偏离球对称形态，那么这个快速旋转的天体将会产生持续的引力波辐射。此外，如果该天体的自转速度保持不变的话，那么它发出的引力波信号（包括频率和振幅）也将保持不变。这就是为什么这些波源被称为"持续引力波源"。

致密双星旋近的引力波源

双中子星并合

另一类引力波信号主要来源于致密双星的旋近合并合。宇宙中的致密星体包括白矮星、中子星和黑洞。这个引力波类别中， "致密双星"通常认为有三个子类：

假设同样质量和自旋下，双黑洞和双中子星（假设了一种中子星物态方程模型）的相对轨道，假设自旋垂直于轨道面

双中子星（BNS）
双黑洞（BBH）
中子星-黑洞双星（NSBH）

虽然它们产生引力波的机制一样，但每一子类的双星旋近都有其独特的信号图像。

致密双星的相互旋近过程通常会长达百万年之久。在这个旋近的过程中，这两个致密星组成的轨道系统会通过引力波辐射其轨道能量。随着长时间的演化，两个物体将会越来越靠近。随之而来的是引力波辐射的强度会进一步加强，从而更进一步加速轨道能量的辐射。这种加速的旋近过程类似于正在旋转的花样滑冰运动员。可以想象一下，假设滑冰运动员伸出的拳头是中子星或黑洞，而运动员的身体是将它们结合在一起的重力。当旋转的花样滑冰运动员把拳头缓慢地靠近身体时（即当物体的轨道越来越近时），它们的旋转速度越来越快。然而，与运动员不同的是，中子星或黑洞双星无法自如地停止它们的旋转，引力波辐射和越来越近的轨道演化过程将会引发了一系列无法阻止的灾难事件。故事的最终结局将会以两个物体相互碰撞而告终。

如同人类的耳朵只能感知一定范围内的声音频率信息一样，目前国外的探测仪器被设计为只能用于探测特定频率范围内的引力波信号，这也就意味着无法探测到超出该频率范围内（即过低或过高）的天体轨道引力波辐射信号。对于这类的探测器而言，只有致密天体并合前绕转足够快时辐射的信号才能落在其观测频段中。一个致密双星系统通常在这个频率范围内旋近的时间非常短暂。一般而言，天体的质量大小决定了这个系统产生可探测引力波信号的时间长短。质量相对较重的天体，例如黑洞，就比中子星等质量稍轻的天体更快地经历最后的旋近阶段。这意味着，双黑洞并合信号的持续时间将远短于双中子星并合信号所持续的时间，而且这个差距相当得显著。例如，国外探测到的第一例双黑洞并合信号只持续了十分之二秒。相比而言，在2017年8月国外探测到的第一例双中子星并合信号在仪器中持续的时间甚至超过了100秒。

在处理时空弯曲的数据信号时，会将信号转化成一种我们称为“啁啾”声音，这从某种意义上来说，我们可以“听到”两个黑洞或者中子星在并合前发出的信号。这些天体也许在并合前已经相互绕转了长达数十亿年，然而也只探测到了这数十亿年的最后几分之一或几秒钟。下面的第一段视频展示了第一个双黑洞并合在仪器中显示的信号（信号被播放了好几次，先在自然频率中重复啁啾信号，后增强信号以使其更容易被听到）。第二个视频是 2017 中子星并合的啁啾声音（视频中仅包含了信号的最后 32 秒）。

这两个实际引力波的例子说明了不同并合天体系统在激光干涉仪中显示了不同观测的特征。较短的引力波信号意味着引力波源中可能包含了更大质量的天体，如黑洞；较长的引力波信号则表明天体的质量可能较小，可能存在中子星。

到目前为止，LIGO已经公布了10例双黑洞和双中子星并产生的引力波信号（这里是GWTC-1的数据，GWTC-2比这个要多得多，得注意一下）。自 2019 年 4 月 1 日以来，又进行了数十次观测，科学家可以分析和了解这些引力波源的性质。

探测大爆炸产生的引力波将使我们能够比以往更深入地看到宇宙的历史

随机引力波源

天文学家预测宇宙中的连续引力波信号或致密双星旋近的引力波信号不会过于集中抵达地球，因此我们并不担心会有同时抵达的引力波信号使得探测器中产生复杂而又混乱的观测信号。然而，宇宙中可能存在许多低振幅的引力波信号从宇宙中穿过，这些引力波信号可能是随机混合在一起的。这些来自各个方向的低振幅引力波信号组成了“随机引力波信号”。 “随机” 一词意味着它们有任意的图像，可能通过统计分析寻找到它们，但无法精确预测它们的图像。这种信号将是最小和最难探测的引力波，但有部分这种随机信号很有可能起源于宇宙大爆炸。如果可以探测到宇宙大爆炸遗留下的引力波，将使我们能够比以往更深入地看到宇宙的历史。目前太极计划主要研究的就是这种引力波波源。

爆发引力波源

寻找“爆发引力波信号”需要一定的运气——这既是因为目前还没有探测到它们，也是因为我们不知道信号是什么样子的！例如，由于对爆发源的物理模型认识不是非常全面，无法预测来自该爆发源的引力波信号将从何时出现。

我们还期望从科学家以前不知道的系统中探测到引力波信号。为了寻找这类引力波，我们无法像连续引力波信源和双致密星并合有清楚认知的物理特性来假设他们。这也意味着我们不能只分析和搜寻科学家已预测的引力波的特征。寻找爆发引力波信号需要抱有完全开放的心态。对于这类引力波，科学家必须在没有任何建模的情况下（因为我们不知道信号是什么样的）识别出该信号。如果不知道自己在找什么，真的很难找到可能的爆发引力波信号。虽然这使得寻找爆发引力波源变得异常困难，但如果能探测它们将会是革命性的。