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title: "同时抵达两座 LIGO 的短促啁啾"
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last_modified: "2026-10-24"
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[引力留下的痕迹](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/#gravity)

天文 · 宇宙学 · 引力

# 同时抵达两座 LIGO 的短促啁啾

Sandbox Physics · 2026-10-24

短短一瞬的光信号，怎样揭示了两颗黑洞的并合？

1. 标定干涉仪
2. 在两地寻找频率上升的信号
3. 检查仪器与环境噪声
4. 从波形推断双星

GW150914 在 2015 年 9 月 14 日留下记录，2016 年公布，2017 年的诺奖表彰了相关贡献。

## 两座天文台收到了同一段起伏

2015 年 9 月 14 日，一段短促的起伏先到达美国路易斯安那州 Livingston 的 LIGO，约七毫秒后又到达华盛顿州 Hanford 的另一座 LIGO。最明显的那一小段里，振荡越来越快、越来越强，随后迅速衰减。这就是 GW150914，人类第一次直接探测到的引力波信号。它的节奏指向两颗黑洞：它们越转越近，最后并成一颗。

仪器收到的是距离的微小变化。引力波经过时，自由运动物体之间的间距会按特定方式伸缩，LIGO 再用激光把它读出来。把记录转换成声音，就能听见一声上扬的“啾”；原始测量量叫应变，表示长度改变了多大比例。GW150914 的峰值大约只有十万亿亿分之一。

每座 LIGO 都有两条互相垂直、长四千米的臂。分束镜让激光分别进入两臂，反射镜再把光送回交会处。一条臂稍长，另一条稍短，返回的两束光叠加时，亮暗就会改变。镜子悬挂起来，激光保持稳定，光在臂内反复往返。这些设计一起把极小的距离变化变成可读信号。

来源：[1] [2]

## 音调为什么越来越高

两颗致密天体绕行时，会向外辐射引力波。轨道失去能量，半径缩小，绕行加快，波峰也挤得越来越密。这种频率上升的信号叫啁啾。上升有多快，与两颗天体质量的一种特定组合有关，天文学家称它为“啁啾质量”。先听懂这个节奏，就有了称重的线索。

GW150914 到达振幅峰值前，约在 0.2 秒内振了八次，频率从约每秒 35 次升到 150 次。随后是并合与新黑洞的衰减振荡。如此快的绕行，要求两颗天体已经挨得很近；频率上升给出的质量又远高于通常的中子星。黑洞能同时满足“很重”和“很小”这两项要求。

最后一段并合要靠广义相对论的数值计算。合作团队把一系列理论波形与带噪声的测量比较，推得原先两颗黑洞约有 36 和 29 个太阳质量，新黑洞约为 62 个太阳质量。这些估计都有明显的不确定度。约三个太阳质量所对应的能量，随引力波离开了系统。

来源：[1] [3]

## 为什么要在相隔遥远的两地测量

地面振动、控制系统异常，都可能在仪器输出里画出一个突起。两座相隔遥远的探测器，给了研究者另一种检验办法：来自天空的同一道波，应该在允许的传播时间内先后到达两地；考虑两台仪器朝向不同后，波形也应彼此对应。

团队检查了地震仪、麦克风和大量控制信号，寻找当地或共同环境干扰。几套不同搜索都找到了 GW150914。有的先找两地共同出现的短暂起伏，对天体种类少作假设；有的拿致密双星理论波形逐一比较。不同入口最终指向同一段记录。

噪声有时也会碰巧在两地配成一对。研究者把其中一台的记录错开很长时间，打散真正的天文信号，反复组合，估计偶然配对有多常见。按匹配滤波搜索采用的统计量，像 GW150914 这样强的偶然事件，估计频率低于每 203,000 年一次。这个数来自大量错时比较，表示这套搜索中噪声伪装信号的难易程度。

来源：[1] [4]

## 2015 年的信号，2017 年的奖

LIGO Scientific Collaboration 与 Virgo Collaboration 在 2016 年 2 月 11 日共同公布结果。事件发生时，实际观测的是两座 LIGO；Virgo 探测器仍在升级，Virgo 科学家则参与了联合分析。装置建造、噪声控制、理论波形和数据分析，汇集了庞大团队的长期工作。

2017 年诺贝尔物理学奖授予 Rainer Weiss、Barry Barish 和 Kip Thorne，表彰他们对 LIGO 探测器和引力波观测的决定性贡献。那声短促的啁啾打开了新的观察道路。即使双星没有发出可供望远镜拍摄的亮光，质量与运动信息仍能随引力波传到地球。

来源：[1] [5]

## 接着探索相关模型

选一个模型，亲手试试文章里的物理想法。

### [看看 LIGO 怎样读出经过的波](https://sandboxphysics.com/zh/labs/ligo-system-interferometer/)

比较臂腔储光和读出预设。

干涉仪模型展示光学读出与采用的噪声来源。

## 来源与阅读说明

1. [LIGO Scientific Collaboration & Virgo Collaboration (2016), Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger](https://arxiv.org/abs/1602.03837v1)

   连同滤波与对齐说明阅读图 1，再读式 1、图 2—4 与表 I。

2. [LIGO Scientific Collaboration (2016), GW150914: The Advanced LIGO Detectors in the Era of First Discoveries](https://dcc.ligo.org/LIGO-P1500237/public)

   四千米干涉仪、光路、隔振与随频率改变的探测器噪声。

3. [LIGO Scientific Collaboration & Virgo Collaboration, The basic physics of the binary black hole merger GW150914](https://dcc.ligo.org/LIGO-P1600161/public)

   旋近频率上升、啁啾质量、致密性论证，以及领先阶估计的适用范围。

4. [LIGO Scientific Collaboration, How do we know GW150914 was real?](https://ligo.org/science-summaries/GW150914Detchar/)

   仪器与环境检查、辅助测量通道，以及用实际记录估计的噪声背景。

5. [The Nobel Prize in Physics 2017](https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2017/summary/)

   奖项表彰 Weiss、Barish 与 Thorne 对 LIGO 和引力波观测的决定性贡献。

[我们怎样读懂宇宙](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/) [替银河系暗中心称重的恒星](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/galactic-centre-stellar-orbits/) [脉冲星的钟声记下了轨道缩短](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/hulse-taylor-orbital-decay/) [引力坍缩不需要一颗完美的球形恒星](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/penrose-trapped-surfaces/) [从探测曲线读到黑洞质量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/astronomy-gravity/reading-gravitational-wave-chirp/)