我们银河系里应该有引力波存在？
对于在我们的宇宙中真实存在或产生的黑洞，我们可以观测到它们周围物质发出的辐射，黑洞吸入、合并所产生的引力波，以及引力波的振铃信号。但是我们目前还没有探测到银河系内部有类似的合并。LIGO（激光干涉引力波天文台）/加州理工学院/麻省理工学院/索诺马州立大学（奥罗拉 西蒙妮特）
在所有科学领域的研究进展中，最引人注目之一的是我们直接探测引力波的能力。有了LIGO（激光干涉引力波天文台）和Virgo（室女座引力波天文台）前所未有的探测能力和灵敏度，这些波动于时空网中强有力的涟漪再也不会被漏掉。相反，我们第一次不仅能够观察到引力波，而且能够精确定位它们的来源，并了解它们的属性。截至今天，我们已经发现了11个不同的来源。
但它们都那么遥远!这是为什么呢?这是阿米他娃·达塔，查扬·查特吉的提问，他们问道:
为什么所有已知的引力波源(聚合双星)都在遥远的宇宙中?为什么在我们附近一个都没有发现?
让我们找出答案。
位于比萨附近的卡希纳(意大利)的Virgo（室女座引力波探测器）鸟瞰图。Virgo是一个巨大的迈克耳孙激光干涉仪，臂长3公里，是两个4公里长的LIGO探测器的补充。这些探测器对距离的微小变化很敏感，这些变化是引力波振幅的函数，而不是能量。尼古拉·巴道适/Virgo
我的猜测是(这是很可能是错误的)——对于任何探测，探测器都需要进行精确地校准。因此，到目前为止，我们所有的发现都是偶然的。
LIGO和Virgo这样的天文台的工作方式是——一束相同频率的激光被激光分离器分开，沿着它们两条很长的相互垂直的真空臂传播，来回反射若干次，最后重新组合在一起。
光是一种电磁波，而当你把多种波结合在一起时，它们就会产生干涉图样。如果干涉是建设性的，你会看到相长模式;如果它是破坏性的，你会看到相消模式。在LIGO和Virgo的日常工作情况下，也就是说当没有引力波穿过它们的时候，你看到的是一个相对稳定的模式，只有一些需要探测器处理的随机噪音（这大部分是由地球本身产生的）。
当两臂长度相等，且没有引力波通过时，信号为空，此时的干涉图样是恒定的；当臂长变化时，信号为实，而且是振荡的，干涉图样随时间以可预测的方式进行变化。美国国家宇航局空间站
但是相对于另一条臂，如果你改变其中一条臂的长度，光在这条臂上传播的时间也改变了。因为光是波，所以在其传播时即使只有很小的时间变化，就意味着你在波的波峰/波谷模式上的位置也随之改变了，因此由它与另一个光波结合而产生的干涉图样将会改变。
有很多原因可能引起单只臂长的改变:例如地震噪音、街对面的手提钻、甚至几英里外经过的卡车。但是一种天体物理学的来源也可能导致这种变化:经过的引力波。
当引力波通过空间中的某个位置时，它会在交替的时间内在交替的方向上产生膨胀和压缩，导致激光臂的长度在相互垂直的方向上发生变化。利用这种物理变化，我们成功地开发出像LIGO和Virgo这样的引力波探测器。伊萨·C·卡罗
我们可以通过两个关键因素区分什么是引力波，什么是地球来源的噪音。
1.引力波通过探测器时，会使两个臂向相反的方向改变特定的的同相距离。当你看到臂长的振荡是周期模式时，你可以对你的信号可能是引力波还是仅仅是地球上的噪音源进行有意义的限制。
2.在地球上不同的地方，我们建立了很多探测器。虽然每一个探测器都会因其所在的环境而产生相应的噪声，但有引力波经过时会对每一个探测器产生非常相似的影响，时间间隔最多为几毫秒。
你可以从2015年9月14日的观测中看到这两种效应都存在。
第一对直接观测到的黑洞的吸入与合并。总信号和噪声(顶部)与引力波模板明显相配，引力波模板来自于合并和吸入特定质量的黑洞(中间)。注意在合并的最后阶段频率和振幅是如何变化的。B.P.阿伯特等人(LIGO科学合作和VIRGO合作)
让我们回到现在，到目前为止实际上我们已经发现了11个独立的合并事件。这些事件似乎是随机发生的，因为只有在吸入和融合的最后阶段——两个黑洞或中子星碰撞前的最后几秒甚至几毫秒——我们最灵敏的探测器才能够捕捉到相应的特性。
如果我们观察到这些物体的距离，我们会发现尽管我们的引力波探测器对离我们越近的物体越敏感，但我们发现的大多数物体都在数亿甚至数十亿光年之外。
LIGO和Virgo探测到的11个引力波事件，它们的名称、质量参数和其他重要信息以统计表格的形式进行了编码。当LIGO和Virgo同时运行的时候，注意有多少事件发生在最后一个月的第二轮运行期间。参数dL为光度距离;最近的天体是2017年的中子星-中子星合并，离我们约1.3亿光年。LIGO/VIRGO合作;预印本: 1811.12907
这是为什么呢?如果重力波探测器对附近的物体更敏感，那么我们是否应该更频繁地探测它们，而无视我们实际观察到的情况？
有很多潜在的解释可以对你期望和不期望的错配做出说明。正如我们的提问者所提出的，也许这是定向的问题?毕竟这个宇宙中有许多现象，比如脉冲星或耀变体，只有当正确的电磁信号直接“发射”进入我们的视线范围时，我们才能看到它们。
这是艺术家对活跃星系核的描绘。位于吸积盘中心的超大质量黑洞向太空发射一束狭窄且垂直于吸积盘的高能物质射流。一颗大约40亿光年远的耀变体是许多高能宇宙射线和中微子的起源。只有来自黑洞外部的物质才能离开黑洞;视界内的物质永远无法逃逸。德西，科学交流研究所
这是一个聪明的想法，但它忽略了引力和电磁力之间的根本区别。在电磁学中，电磁辐射是由带电粒子加速产生的;在广义相对论中，引力辐射(或引力波)是由大质量粒子加速产生的。到目前为止，一切都是那么的顺利。
但在电磁学中有电场和磁场，运动中的带电粒子产生磁场。这允许你以准直的方式创造和加速粒子并进行辐射;它不需要以球面的形式展开。然而在万有引力中，只有引力源(质量和能量量子)和时空曲率。
当你有两个引力源(即质量)相互吸入并最终合并时，这一过程将发射引力波。虽然它可能不那么直观，但引力波探测器对这些波的灵敏度来源于1/r，而不是1/r^2，它将看到这些波的各个方向，不管它们是正面还是侧面，或者介于两者之间的任何地方。美国宇航局、欧洲宇航局模型研究所
事实证明，无论我们是正对着、侧对着、又或是斜着看到引力波源都没有关系;它们发射出的引力波仍然可测量，且具备可观察的频率和振幅。尽管我们观测到的信号量级和其他定向依赖的属性可能会有细微的差别的,但从波源产生的引力波以球状形式向外传播,只要你有足够灵敏的探测器，你可以从宇宙中任何地方看到它。
那么，为什么在我们的星系中没有探测到来自双星源的引力波呢?
你可能会惊讶地发现有质量的双星源，比如黑洞和中子星，现在正在绕轨道运行和吸入。
太空中的双人芭蕾舞：当两颗中子星围绕一个共同的中心“跳舞”时，它们会发射出引力波（左图）。因为这样会导致两个星体持续地损失它们的轨道能量，它们会沿着一个螺旋形的轨道慢慢靠近对方，轨道周期也会变短。右侧的图表展示了双脉冲星PSRJ0737-3039的相关参数。
从发现的第一个双中子星系统开始，我们就知道引力辐射可以把能量带走。我们观测到吸入和合并最后阶段的双星系统只是时间问题。美国宇航局（左），普朗克—射电天文学研究所/迈克尔·克拉默
早在引力波被我们直接探测到之前，我们就发现了一个我们所认为的极为罕见的结构:两个脉冲星相互环绕。我们观察到它们的脉冲时间在某种程度上会发生变化，显示出由于引力辐射它们的轨道衰减了。许多脉冲星，包括多个双脉冲星已经被我们观测到。但凡我们能够精确地测量它们，我们都能看到轨道衰减，这表明它们在发射引力波。
类似地，我们也观察到x线的辐射，这意味着在这儿的中心一定有一个黑洞。虽然只在两次电磁观测中发现了双黑洞，但我们所知的恒星质量的黑洞是在吸积或虹吸伴星物质时被发现的，下图是x线双黑洞场景。
LIGO和Virgo发现了一个新的黑洞群，这些黑洞的数量比之前单独用x线研究发现的要多(图中紫色圆点)。这张图显示了LIGO/Virgo探测到的所有10个确定的合并黑洞的数量(图中蓝色圆点))，以及中子星-中子星的合并(图中橙色圆点))。随着灵敏度的提升，从今年四月开始，LIGO/Virgo每周都会检测到多起合并事件。LIGO/Virgo/西北大学/弗兰克·埃拉夫斯基
这些系统是:
·银河系内部丰富的合并事件，
·吸入物质和放射引力波以节省能量，
·这意味着有特定频率和振幅的引力波通过我们的探测器，
·产生这些信号的引力波源注定有一天会合并在一起。
但是，我们依旧没有在我们的地面引力波探测器中观测到它们。这其中的原因很简单:我们的探测器的频率范围是错误的！
无论是旧的、新的、还是计划建设中的引力波探测器，它们的灵敏度都是不同的，尤其是高级的LIGO(图中橙色线条)、LISA(图中深蓝色线条)和BBO(图中淡蓝色线条)。LIGO只能探测小质量和短周期的事件;对于质量更大的黑洞或处于早期引力吸入阶段的系统，需要更长的基线和噪声更低的天文台才能探测到。唐明雷，经典量子力学，29（2012）,155006.
只有在合并前的最后几秒，双星合并产生的引力波才会落入LIGO/Virgo的探测灵敏度范围内。对于已经彼此绕行了数百万年甚至数十亿年的中子星或黑洞，它们的轨道在衰变，它们在更大的径向分离中发射引力波。这意味着它们需要更长的时间来围绕彼此运行，也就意味着它们释放出来的引力波频率更低。
我们今天没有看到双星在我们星系中绕转的原因是LIGO和Virgo的臂太短了!如果它们有几百万公里长的臂而且有很多反射，而不是只有3-4公里的话，我们已经探测它们了。就目前的情况来看，这将是LISA（激光干涉空间天线）的一个重大进步:它可以向我们展示这些将来会发生合并的双星系统，甚至可以让我们预测它会在何时何地发生!
这三个LISA航天器将被放置在轨道上形成一个三角形的编队，三角形的中心在地球背后的20°，其边长为500万公里。这个图形不成比例。LISA将比LIGO对更低频率的引力波源更敏感，包括将来那些LIGO能够看到的合并事件。美国国家宇航局
在LIGO和Virgo运行的这段时间里，实际上我们并没有在自己的银河系中看到任何黑洞或中子星的合并。这种情况并不奇怪;引力波观测的结果告诉我们，宇宙中每年大约有80万个黑洞双星合并在一起。但是宇宙中有两万亿个星系，这意味着我们需要观察数百万个星系才看到一个合并事件!
这就是为什么我们的引力波天文台的探测器需要在延伸数十亿光年的各个方向上保持灵敏;否则我们将无法得到足够的统计数据。
先进的LIGO的探测范围及其探测合并黑洞的能力。请注意，即使波的振幅会随着r的增大而减小（1/r），但星系的数量会随着体积的增大而增加（r^3）。LIGO /安博·斯图维尔/理查德·鲍威尔/宇宙地图集
在整个宇宙包括我们的银河系中有大量的中子星和黑洞相互环绕。当我们用射电脉冲(对中子星)或x线(对黑洞)寻找这些双星系统时，我们会发现它们的数量其实很多。我们甚至可以间接地观测到它们发射引力波的证据。
如果我们有更灵敏、频率更低的引力波天文台，我们就有可能直接探测到我们星系内部产生的引力波。但如果我们想要观测到一个正在发生的合并事件就很罕见了。发生合并前它们可能度过了亿万年的时光，但实际发生合并的时候只需要零点几秒。只有在宇宙中撒下一张非常宽的网，我们才能观测到它们。而令人难以置信的是，可以实施如此大范围观测的技术已经出现了。
作者: startswithabang
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