爲什麼沒有在銀河系內發現引力波？

迄今爲止，LIGO和Virgo引力波天文臺已經在宇宙中直接探測到11起引力波事件。不過，這些引力波源距離地球非常遙遠，都在河外星系中，例如，第一個被探測到的引力波源（雙黑洞合併）距離地球13億光年，第一個雙中子星引力波源距離地球1.3億光年。

那麼，爲什麼目前探測到的引力波源都在遙遠的宇宙中呢？爲什麼我們沒有在銀河系中探測到引力波呢？

LIGO和Virgo有兩條長達三四公里並且互相垂直的干涉臂，其中近乎完全真空的狀態。相同頻率的激光被分光器沿着兩條幹涉臂被分開，激光沿着干涉臂運動，並被來回反射若干次，最後重新組合在一起。

光是電磁波，把各種光波結合在一起，就會產生干涉圖樣，相干干涉和相消干涉會有不同的干涉圖樣。在沒有排除外界干擾和引力波通過干涉臂的情況下，LIGO和Virgo中的光所產生的干涉條紋保持穩定。

然而，如果引力波穿過干涉臂，由於空間波動會導致其中一條幹涉臂被拉長，另一條被壓縮，兩條幹涉臂的長度將會變得略微不同。在這種情況下，兩條幹涉臂中的光到達接收器的時間就會變得不同，所以干涉條紋就會發生變化。

有兩個關鍵因素使我們能夠排除地球上的噪音干擾，確認探測到的是引力波。（1）當引力波通過探測器時，將導致兩條幹涉臂在相反的方向上改變長度，其變化是一個特定的同相量。當觀測到干涉臂的長度出現週期性變化時，可以比較肯定是引力波。（2）另外，天文學家在地球上不同的地方建立了多個引力波探測器。雖然每個探測器都將會因爲所處的局部環境不同而受到不同噪聲的干擾，但經過的引力波對每個探測器的影響非常相似，最多相隔幾毫秒。綜合兩個關鍵因素，可以使天文學家確認探測到引力波，2015年第一次探測到的引力波GW150914都符合上述的情況。

能夠產生強大引力波的事件非常罕見，因爲只有在兩個黑洞或者中子星碰撞之前的最後角秒或者幾毫秒，這樣纔有合適的特性被地球上最敏感的引力探測器捕捉到。正因爲如此，自2015年來到現在，人類才探測到11起引力波源，引力波事件似乎是隨機發生的。

雖然引力波探測器對離地球越近的引力波源越敏感，但目前發現的大多數引力波源都遠在數億光年甚至數十億光年之外。這是爲什麼呢？我們不應該更頻繁地探測到附近的引力波源嗎？

這會不會是因爲我們的觀測角度不對，剛好錯過引力波呢？這就好比我們想要在地球上探測到脈衝星，那麼，脈衝星的磁軸就必須要掃過地球。

這種假設不成立，因爲忽略了引力和電磁力之間的根本區別。在電磁學中，帶電粒子的加速度產生電磁輻射，或者說光。在廣義相對論中，有質量物體在空間中的加速運動產生引力波。然而，電磁輻射的產生具有方向性，而引力波的產生沒有方向性，它們會以球形的方式朝向空間各個方向輻射出去。因此，無論從引力波源的那個方向觀測，都能探測到相同頻率和振幅的引力波。

既然沒有觀測方向上的偶然性，那麼，爲什麼我們在自己的星系中沒有探測到來自雙星源的引力波呢？

事實上，我們的銀河系中也存在互相繞行的雙黑洞和雙中子星系統。在它們互相繞行過程中，輻射出的引力波（非常微弱）會帶走一部分軌道能量，從而使它們逐漸旋進，軌道半徑越來越小。

早在引力波被直接探測到之前，天文學家在銀河系中發現了一種曾經被認爲極其罕見的系統——雙脈衝星系統。通過觀測脈衝時間的變化，顯示出它們的軌道由於引力輻射而衰減。對多個雙脈衝星系統進行精確測量之後，天文學家都能看到軌道衰變，這表明它們在發射引力波。

類似地，天文學家觀測到一種特殊的X射線源，表明其中一定存在黑洞。天文學家還發現了X射線雙星系統——兩個黑洞相在軌道上互相繞行，輻射出的X射線揭示了兩個組成部分的質量。

這些雙星系統其實在銀河系中不難發現，它們產生的引力波也在不斷穿過地球上的引力波探測器。之所以我們還未曾探測到它們，原因很簡單，引力波探測器在錯誤的頻率範圍內。

只有在雙星合併的最後時刻，輻射出的足夠強大引力波纔會落入LIGO和Virgo的敏感範圍。在中子星或黑洞圍繞彼此運行的數千萬年甚至數十億年時間裡，它們的軌道在不斷衰減，徑向分離越大，這意味着它們圍繞彼此運行的時間越長，引力波的頻率越低，所以LIGO和Virgo無法探測到。

除非LIGO和Virgo的干涉臂長度達到幾百萬公里，而不是現在的3至4公里，它們纔有能力探測到銀河系中的雙黑洞或者雙中子星互相繞行時所輻射出的引力波。就目前的情況來看，激光干涉空間天線（LISA）將有能力來探測銀河系中的引力波，並且能夠預測引力波會出現在何時何地。LISA在太空中，三個特殊的太空探測器組成一個邊長爲500萬公里的等邊三角形，所以LISA的靈敏度將會遠高於LIGO和Virgo。

自LIGO和Virgo運行以來，還沒有在銀河系中發現任何的雙黑洞或雙中子星合併。這並不奇怪，因爲這種強大的引力波事件非常罕見。據估計，可觀測宇宙中每年大約有80萬個正在合併的雙黑洞系統。但是宇宙中有多達兩萬億個星系，這意味着我們需要觀察數百萬個星系才能探測到一個引力波源。

總之，如果人類能夠建造出更靈敏、頻率更低的引力波天文臺，我們就有可能直接探測到銀河系內部的引力波源，因爲銀河系中有不少的中子星和黑洞相互環繞。但想要探測到雙星合併事件很困難，因爲這種事件十分罕見，雙星軌道衰減需要非常漫長的時間，通常長達上億年。