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引力波研究进展

发布时间：2011-10-27 09:48:44 来源：文档文库

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本科毕业论文

学院物理电子工程学院

专业物理学

年级 2007级

姓名郑文文

论文题目引力波的研究进展

指导教师刘墨林职称副教授

2011年5月6日

摘要…………………………………………………………………………1

关键词………………………………………………………………………1

Abstract……………………………………………………………………1

Key Words……………………………………………………………………1

引言…………………………………………………………………………1

1.引力波的研究历史………………………………………………………2

1.1从经典力学到相对论……………………………………………………2

1.2 相对论对引力波的预言…………………………………………………3

2.引力波的探测现状………………………………………………………6

2.1 直接探测引力波………………………………………………………6

2.2 间接探测引力波………………………………………………………11

3.引力波研究的发展趋势…………………………………………………11

3.1 引力波研究的未来走向………………………………………………11

3.2 引力波研究的重大意义………………………………………………12

结束语………………………………………………………………………13

参考文献……………………………………………………………………13

引力波的研究进展

姓名：郑文文学号：20075040059

单位：物理电子工程学院专业：物理学

指导老师：刘墨林职称：副教授

摘要：自从爱因斯坦提出广义相对论以来，对引力波的理论研究与天文观测一直处于物理学和天文学学科研究的前沿。本文主要就引力波一些基本性的知识作一调研综述，希望对将来的引力波研究提供一点参考价值。该论文首先介绍引力波的研究历史；其次对目前引力波的探测现状进行调研分析，详细介绍了直接探测和间接探测两种方法，并结合地基高频率引力波探测器：LIGO、GEO、TAMA、LISA、VIGRO，对引力波探测的现状作一分析。论文最后对引力波的发展趋势进行了简要总结。

关键词：广义相对论；引力波；引力波探测器

The Research Progress of Gravitational Wave

Abstract: Since Albert Einstein proposed general relativity, the theoretical research for gravitational wave and astronomical observation have been a new frontier in physical and astronomy society. This paper mainly introduces the basic knowledge of gravitational wave, hope could give the future research of gravitational wave provide some reference value. The paper firstly introduces research history of gravitational wave and secondly for current detection of gravitational wave to analyse. It detailed analysis of directly and indirectly detection method of gravitational wave, and combining foundation high frequency wave detector: LIGO and GEO and TAMA and LISA and VIGRO analysis of the current detection.At last, the paper brief summarizes the development of gravitational wave.

Key Words: general relativity; gravitational wave; gravitational wave detector

引言

目前我们对于宇宙的了解大都是通过探测电磁辐射来获得的。而引力波的出现则标志着观测手段已经开始超越电磁相互作用的范畴，通过引力波观测将揭示关于恒星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。但是由于万有引力相互作用和电磁相互作用相比，强度十分微弱，而且探测引力波还需要花费大量资金和时间来维持运行的复杂实验，所以引力波的直接观测对现有条件而言还是一个很大的挑战。迄今为止，人类还没有确切的探测到引力波。但是基于引力波探测的重大意义，人们对引力波的探测和研究在不到一个世纪的时间里还是取得了很大的进步。下面我们就来谈谈引力波的研究历史。

1.引力波的研究历史

引力波是爱因斯坦和其他物理学家提出的关于广义相对论的四大预言之一，同时也是唯一一个没有得到准确验证的爱因斯坦的一个预言。但是相对论对引力波的预言，还是给我们打开了又一扇探测宇宙的窗口，给我们以后探测宇宙指明了方向。然而相对论对引力波的预言又是怎么总结出来的呢？

1.1从经典力学到相对论

伟大的科学家牛顿结合了另外三位伟大的科学家哥白尼(1473-1543)、开普勒 (1571-1630)和伽利略(1564-1642)的理论提出了万有引力定律，解决了许多他那个时期的难题，包括潮汐产生的原因，地球和月亮的运动，以及彗星的轨道问题。然而牛顿的理论虽然解释了什么是引力，但是在随后的300年中，引力产生的原因仍然是个谜。

随着科学家们发明出更好的天文学工具，他们发现他们的观察结果跟牛顿理论预言的有些微小的差别。比如说，牛顿理论对于水星运行轨道的预测与实际观察的结果稍微有些不同。此外，牛顿的理论也不能对如下问题作出一个令人满意的解释，那就是：如果太阳突然消失，那么将会发生什么事？

根据牛顿的理论，整个宇宙都会立刻觉察到太阳的消失。这就意味着所有环绕太阳运行的行星都会沿切线方向飞离环绕轨道。对于这个问题，爱因斯坦给予了更加详细的说明，他认为离太阳越远的行星会越迟知道太阳消失了，所以较近的行星会先飞离绕日轨道。但是在19世纪末期，大多数科学家都认同于当时对于宇宙的描述。实际上，他们中的大部分都认为物理学的研究已经相当完善，所剩下的只是将一些细枝末节了解清楚而已。但问题是这些所谓的“细枝末节”都是些不能用当时的理论给予解释的观测或实验结果。其中之一就是，实验中对光速的测量结果总是每秒30万公里(也就是时速18.6万英里)。因此，科学家们认为，因为地球是在围绕太阳运行，如果我们沿不同方向测量光的速度，将得到不同的结果。1895年，阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷进行了这个实验，但却出乎意料地末能发现光在不同方向的传播速度有任何的差异。对于这个现象，当时的人们无法根据他们当时的理论给予解释，直到1905年，阿尔伯特·爱因斯坦给予了准确的解释。他认为不同于车的速度，光的速度是恒定的，不会随观察者的移动而变化。换句话说，即使你跑得非常快，也无法追上光。爱因斯坦的狭义相对论中第一条定律就是光速是恒定的，完全不依赖于观测者及光源的速度。在接下来的几年里，爱因斯坦继续研究狭义相对论的细节。这时，他开始考虑怎样将牛顿的引力理论溶入到新理论中。

1.2相对论对引力波的预言

爱因斯坦认识到,在地球上自由下落的人就像太空中的宇航员一样感觉不到地心引力的作用。而且在恒定加速上升的火箭中，人将感受到和坐在地球上的人相同的引力作用。爱因斯坦的广义相对论的基本假定是地球上的物体感受到的地心引力、远离大质量物体和恒定加速的物体所感受到的力是完全相同的。然而，既然两种力是相同的，那么物理学法则在两种情况下也就都是适用的。因此爱因斯坦发现这需要修改对引力的定义。但是引力到底该怎么定义呢？

图1 时空被大质量物体扭曲

爱因斯坦认为引力并不是牛顿所想的那样。他认为物体之所以会互相吸引是因为重的物体扭曲了时空，其它物体则选择了扭曲时空中的最短路径。爱因斯坦通过数学方法发现时空结构是弹性的，就像蹦床。如图1所示，所有的物体都躺在这个蹦床上，并使蹦床发生变形，称为时空畸变。时空畸变的大小与物体质量有关，质量越大变形越大。物质集中的地方是引力场“浓密”的地方，也是时空弯曲最大的地方，这种时空弯曲产生质量的吸引效应就是万有引力。由于时空弯曲，两点间的最短程线不再是直线，而是一条沿着引力场走向的曲线。这一现象已通过观测来自遥远恒星的光线而得到证实。如果一个巨大的物体正好位于地球与恒星之间，那么来自恒星的光线就会受到时空弯曲的影响，它的传播路径就会被扭曲而偏离一定的角度。这种效应还会形成一种有趣的引力透镜现象，它使远处的恒星变得更亮，有时还会形成双像。如果这个物体是一个黑洞，那么光线就会被吸到引力阱中再也出不来了。为使他的理论得到证实，爱因斯坦在理论上也给予了更确切的论证，下面就是爱因斯坦预言引力波存在的理论证明过程。

广义相对论下的弱引力场可写作对平直时空的线性微扰：（以下采用自然单位，引力常数G=光速c=1）

（1）

其中是平直时空的闵可夫斯基度规，是弱引力场带来的微扰。在这个度规下计算得到的黎曼张量为：

（2）

爱因斯坦张量为：

（3）

这里，被称作迹反转度规微扰（trace-reverse metric perturbation）。如果采用洛伦茨规范，爱因斯坦张量的后三项将为零，这里洛伦茨规范的形式为：

（4）

事实上总可以选择这样的规范条件，并且洛伦茨规范不是唯一的，意味着坐标在一个无穷小的线性坐标变换下仍满足洛伦茨规范。

在洛伦茨规范下，爱因斯坦张量为：

（5）

代入爱因斯坦引力场方程得：

（6）

方程（6）又叫弱引力场中的线性爱因斯坦方程。在远源（）的情形下，得到带有达朗贝尔算符的四维波方程：

（7）

方程（7）的一般解为下面本征函数的线性叠加：

（8）

其中是四维振幅，是四维波矢，满足条件，这表明引力波传播经过的测地线是零性的，即其传播速度是光速。

四维波矢，其中是波的角频率，是经典的三维波矢。由于洛伦茨规范并不唯一，此时坐标还不是完全确定的。如果再加上条件：

（9）

（10）

条件（9）表示引力波张量中所有与时间t有关的分量都为零；条件（10）表示引力波张量矩阵的迹为零。因此这组规范条件叫做转置无迹规范（transverse traceless gauge），简称TT规范。在TT规范下，。由洛伦茨规范和TT规范共同决定下的引力波张量只有两个分量是独立的，它们实际对应着引力波的两种偏振态。对于在z方向传播的波矢，这两个振动分量垂直于传播方向，这表明引力波和电磁波一样是横波，其张量形式写作：

（11）

通过以上推导得出以下结论：（1）理论上存在引力波（2）引力波的传播速度为光速；（3）引力波是横波；（4）引力波不存在单极和偶极引力辐射。

以上，爱因斯坦在理论上确切的证明了引力波的存在，但是引力波的存在要想真正的被认同，还需要实际的验证。

引力波存在的最初证据来1975年普林斯顿大学的拉塞尔·赫斯和约瑟夫·泰勒发现的脉冲双星-PSR1913+16（也被称作PSRB1913+16）。这一系统由在一个密近的偏心轨道上旋近的两颗中子星构成，是首个被发现的脉冲双星，从发现至今已被观测了三十多年。脉冲星是一个稳定的时钟，这使得人们能够运用非相对论的数据分析方法从脉冲信号的抵达时间推算出系统轨道的基本参量（如椭圆轨道半长轴的投影、偏心率等）。而从广义相对论导致的抵达时间变化能够推算出与相对论效应有关的参量（如近星点的进动角速率、引力红移等）。从这些参量可以进一步推算出双星系统的倾斜度、质量等（得到的两颗恒星质量都在1.4倍太阳质量左右）。引力辐射导致的系统动能损失表现为双星轨道的衰减，进一步表现为轨道运动周期的逐渐降低，理论计算得到的每秒钟内的周期变化为-2.40242±0.00002×10-12秒。这一理论预言和实验观测结果符合得相当好，而实验观测误差则低于1%。迄今为止，人类从引力辐射角度对爱因斯坦方程正确性的验证中，这个实验是精确度最高的。但是它只是间接证实的了引力波的存在。我们仍然没有真正的探测到引力波。

2.引力波的探测现状

自从爱因斯坦预言宇宙中存在引力波以来，人们对引力波的探测就一直没有中断过。目前我们对引力波的探测主要有直接和间接两种方法。首先我们来讲一讲引力波探测的直接方法。

2.1直接探测引力波

直接的方法就是建立引力波探测器，直接探测来自于太空的引力波。引力波探测器主要分为地面引力波探测器和太空引力波探测器。目前在地面引力波探测器的设备中，主要有共振棒引力波探测器和激光干涉引力波探测器。共振棒引力波探测器对引力波探测的开创性工作应归功于美国人约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）。韦伯从1960年开始研究引力波的探测课题。他最初的引力波探测器是一个高Q值的铝合金圆柱体。当引力波传过来时,时空本身会发生变化,处在时空中的圆柱体棒的两端距离也发生相应的微小变化。如果传来的引力波频率与铝棒的本征频率一致,那么铝棒就会在引力波的激励下振荡起来,并将引力波的信号放大Q倍。这类金属圆柱体引力波探测器往往被称为共振棒探测器,也称共振质量探测器。韦伯在1969年发表文章说收到了多次引力波信号。这一激动人心的消息立刻引起科学界的轰动，数以十计的设计更科学、灵敏度更高的共振棒探测器在全世界各地被建造起来，但令人遗憾的是几十年来没有一个实验室能够得到与韦伯类似的结果，因此韦伯的实验结果迄今为止未被科学界认可。一般认为韦伯的实验结果可能由某种原因不明的噪声干扰所致，但是韦伯关于引力波探测器的许多实验思想被其它实验室采用并发展着。

70年代中期到80年代中期，人们在共振棒引力波探测器的基础上研制出了第二代引力波探测器-激光干涉仪引力波探测器。激光干涉仪引力波探测器是由威斯(R.Weiss)和福沃德(R.Forward)首先提出的。它运用的是迈克尔逊干涉仪原理探测引力波,迈克耳孙干涉仪应用激光光束来测量两条相垂直的干涉臂的长度差变化。通常情况下由不同的引力波引起的干涉臂长度变化是不同的，因而干涉仪是最直接的引力波探测器。所有的干涉探测器都可用一个激光光束和引力波相互作用的公式来描述。从一点发射出的光束传播距离L后返回，其来回过程中若受到引力波影响，行程所用时间将发生改变。所有干涉探测器主要测量的都是这种时间变化。如果一束引力波是平面波，在时刻为t时振幅为h，传播方向与干涉仪的激光传播方向夹角为θ，并假设激光的返回时间treturn是位于激光出发点的时钟测量出的固有时，则此返回时间对时间的变化率由被伯纳德·舒尔茨称作三项公式的式子给出，得出在最简单的情形下（引力波振幅恒定，传播方向与激光传播方向垂直），激光在一个干涉臂内往返N次得到的时间变化为：

（12）

相应可得到激光的相位变化（一般来说，讨论干涉臂的长度变化、激光往返的时间变化，以及激光相位变化都是等效的，纯粹根据场合的需要）：

（13）

这些关系都表明干涉臂越长，其干涉效果就越明显，但实际中太长的干涉臂会引入更多的震动噪声影响地面探测器的观测。其原理与结构如图2所示:

图2 激光干涉仪原理图

由图2看出，激光干涉计中有“L”型放置的两条臂。每条臂上均放置了一些透镜，在两臂交会的地方有一个分束器。激光进入分束器后，分束器将光分为两半后分别送往两臂。臂的末端悬挂着反射镜,管道采用不锈钢制成，直径1.2米，内部真空度为10-12大气压。两束激光在重新会合前将在镜子间多次反射。当没有引力波时，激光的频率恰好是腔的共振频率，相位的调整使得两个腔体的输出信号相互抵消，其合成后在光电二极管上没有输出。当引力波信号通过这个探测器时，一般说来这两个激光腔的长度会有不同的变化，长度变化后的腔偏离了原来的共振频率，使得输出信号产生了一个相位差，这样两个腔体的输出信号不再相互抵消，合成后在光电二极管上就有输出，且输出的电信号随着引力波的振动而变化。

相对于共振棒引力波探测器，激光干涉仪引力波探测器在很大程度上提高了探测到引力波的可能性。因此各个国家的激光干涉仪引力波探测器也相继建造出来。迄今为止，全世界在地面上建立起来了较多的引力波探测器，比较著名的有LIGO、GEO600、VIRGO和TAMA300。

LIGO全称为Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，即激光干涉引力波天文台。它是目前世界上最大的激光干涉引力波天文台，由三台探测器组成，其中两台位于华盛顿，臂长分别为4千米和2千米，一台位于路易斯安那州的利文斯顿，其臂长为4千米。LIGO使用了经谐振腔预稳频、功率为8瓦特的Nd:YAG激光，内部为超高真空的探测器双臂，以及高度精密的准直测量控制系统。2002年起LIGO正式启动数据采集工作，至2007年已经执行了五次科学探测工作，其灵敏度在150赫兹已经达到10-22的量级。LIGO在2007年以前进行的五次科学探测的具体情况如表1：

表1 LIGO引力波探测器的观测结果

其中观测范围是指质量为1.4倍太阳质量、处于旋近态的双中子星具有信噪比等于8，并对所有方向取平均时的距离对应值；符合数据所占百分比是指LHO和LLO同时观测得到的符合数据占所有数据的百分数；Allegro和Auriga是分别位于美国和意大利的共振质量探测器。

对于GEO600,它是由德国和英国合作建造的，位于德国的汉诺威，臂长为600米。GEO600能查出引力波的范围为50HZ-1500HZ。在2005年，GEO600宣布和LIGO合作，三台仪器一起工作，显然GEO600和LIGO的合作成为了地面引力波探测器中最精确且敏感的科学仪表。2010年，GEO600工作小组发布了一个GEO600所探测到的一个奇怪的发现。在近期利用其搜寻引力波的过程中，物理学家偶然发现了令人迷惑的现象-这一高科技设备虽然还没有找到引力波存在的证据，但却发现了大量的噪音。

这就有必要简单描述一下这类探测器的工作过程。以GEO600为例，其要实现功能，需要发射一束激光穿过600米的隧道，再将激光分裂成两束，经过反射的一束以及未经反射的一束均进入干涉仪。当引力波经过这部分空间的时候，两束激光之间的微小位移将会由干涉仪进行探测。即便这种距离的变化非常微妙，但如果引力波探测器有结果，那就很可能是引力波通过时引起的。而今GEO600的“噪音”让研究人员无从解释，在剔除了所有人为因素的影响之后仍不得要领，他们于是向费米实验室的科学家克雷格·霍根寻求帮助，希望他利用量子力学上的专业知识帮助阐明这一不规则的噪音。霍根反馈的意见让人震撼又迷惑。他说：“看上去GEO600受到了时空微观量子级别的冲击。”换句话说，GEO600探测到的并不是来自什么噪音源，而是时空本身发生的量子级别波动。这个发现不但可能冲击现有宇宙理论，还引发美国费米国家实验室的科学家们开始建造一个“全息干涉仪”，将探测深入到“普朗克长度”，以便更进一步观察宇宙的时空结构及这一结构中的波动-引力波。

TAMA300由日本东京大学建成的，它又称为激光干涉引力波天线。它是地面引力波探测器中很具创新思维的一台引力波探测器。因为它的臂长虽只有300米，但事实上，由于激光干涉仪的两臂中的相干光来回反射，因而其有效臂长比其几何尺度大得多。而且由于它采用了低温技术，它的灵敏度会随着时间的推移越来越高，目前灵敏度已达10-25。

VIRGO-“室女座”激光引力波干涉仪探测站。从1993年开始建造，2003年7月投入使用，位于意大利比萨附近的卡希纳，是由意大利国家核物理研究所和法国国家科研中心联合研制的。“室女座”有两条分别长3千米的巨大椭圆形管道臂，两条管道臂互相垂直，呈“L”形，它们以中心建筑大楼为起点，外部由1米多厚的钢管覆盖，内部为高真空状态，并接近绝对零度。中心建筑大楼内竖立着一座高10米的金属塔，金属塔的钢壳里隐藏着由5个摆组成的复摆结构装置，下面悬挂着各种光学元件。这个装置的作用是将外界的各种干扰分离出来。“室女座”可以感知的两点间距变化相当于质子直径的1%，也就是1/10-18米。

以上所介绍的是地面引力波探测器。近几年，人们为了能够建造出准确度和灵敏度更高的引力波探测器，目前，太空引力波探测器LISA已经在建设中。

LISA全称为激光干涉空间天线（Laser Interferometer Space Antenna，LISA）是一个由美国国家航空航天局（NASA）和欧洲空间局（ESA）合作的引力波探测计划，计划于2015年投入运行，这将是人类第一座太空中的引力波天文台。LISA也是美国国家航空航天局的“超越爱因斯坦”（Beyond Einstein program）项目的一部分。“超越爱因斯坦”是一组实验上验证爱因斯坦广义相对论理论的计划，其中包含两个空间天文台（HTXS-X射线天文台和LISA）和数个以宇宙学相关观测为目的的探测器。LISA将利用激光干涉的方法精确测量信号相位，从而对于来自宇宙间遥远的引力波源的低频且微弱的引力波进行探测。这将对引力波天文学的理论和实验研究，广义相对论的一些实验观测以及早期宇宙的天体物理学和宇宙学研究有重要意义。
LISA由三个相同的航天器构成为一个边长为五百万千米的等边三角形，即每两个航天器之间的夹角为60°。LISA将采用的是与地球相同的日心轨道，并且LISA与太阳的连线，和地球与太阳的连线之间的夹角为20°，这种设计是为了尽可能减少地球引力造成的影响。在每一个航天器上都有两个完全相同的光学台，包含有激光光源、光学分束器、光检测器、光学镜组等组成干涉仪的光学器件，以及一系列进行数字信号处理的电子器件。由于每两个航天器之间的夹角为60°，每个航天器上的每一个光学台都会和相邻的航天器上的光学台发生干涉，激光走完这段航天器间隔的距离需要约16秒。在每个干涉仪的后面安置有一个作为“测试质量”的合金立方体（75%金和25%铂），其中一个表面被打磨成光滑的平面镜用来反射激光。理论上如果有引力波扫过测试质量，其位置的微小改变会引起干涉信号，即激光相位的改变，从这种相位变化即可推导出观测到的引力波的存在。在实际设计中，这种测量精度要求测试质量所处的环境高度稳定，其位置能够不受到外界光压和太阳风粒子的影响；并且LISA的干涉测量系统也要高度灵敏，使得真正需要的引力波信号不至于淹没在激光频率噪声等干扰的海洋中。除此之外，LISA还需要解决如何应对航天器运行对激光频率造成的多普勒效应的影响，激光长距离传输的损耗问题等等。LISA在实际运行中将达到能够在五百万千米的长度上探测到10皮米（1皮米等于10-12米）量级的长度变化。

以上都是人们为了直接探测到引力波所做的锲而不舍的探索和实践。可是目前，人们仍然没有直接探测到引力波。所以就有了间接探测引力波的方法。

2.2 间接探测引力波

目前间接探测引力波主要利用两种方法。第一种方法是通过测量系统因辐射引力波所带来的能量损失，从而间接的得出存在引力波。1975年科学家小约塞夫·泰勒领导的实验小组证明引力波的存在，就是用的这种方法。前面也说到这是人类第一次探测到引力波的存在。第二种探测引力波的方法是利用引力波的电磁响应，其原理是引力波和电磁波发生相互作用后，会产生一些平直时空中没有的新的物理行为（如传播方向、极化方式、分布和位相等），该方法目前在理论上非常热门，已经有不少实验室正在准备进行实验。

在第二种探测引力波的方法中，目前理论上最关注的是利用实验条件在实验室产生和引力波相互作用的电磁场，从而探测引力波的存在（包括天体源和实验源）。然而由于引力波振幅非常小，而且和电磁场的作用截面也非常小，并且早些时候的计算表明，引力波和电磁场的相互作用与磁分量的强度和作用区域成正比。但由于实验条件的限制，强电磁场和大的作用区域受到很大的限制，为此，许多科学工作者想了很多巧妙的方法以提高探测的可能性，比如葛瑞斯确克（Grishchuk）等考虑用腔量子电动力学的方案来获得更大的扰动效果，重庆大学引力波研究组在采用高斯束和静磁场结合获得引力波谐振，得到了迄今为止在实验室探测引力波方面最好的效果。

对于以上直接和间接探测引力波的方法，意义最重大的还是直接探测引力波的方法，因为它能够直接探测到来自于宇宙且带有宇宙信息的引力波。同时这也是我们未来探测引力波的一个重要的发展方向。

3.引力波研究的发展趋势

3.1引力波研究的未来走向

我们从LISA的投资和建设就可以很明显的看出来，未来引力波的探测和研究的大概趋势就是从地面转移到太空。因为在地面会受到地面振动噪声、电磁噪声的影响，以及地球重力和重力梯度场的影响，制约了探测精度的提高。而且宇宙中又存在大量的低频引力波源，无疑在太空中更容易探测到引力波。另外，他们的内部构造当然也向着更精确，更灵敏的方向发展。对于棒式引力辐射探测器的发展方向是大质量、超低温和高效低噪声的换能器；而激光干涉仪式引力波探测器的发展方向则是长基线，多次反射，高稳定性和高单色性的激光光源。这些都可以在很大程度上提高他们的探测的精确度和灵敏度。

谈到这里可能很多人要问，我们为什么要花这么大的精力来探测引力波？探测引力波到底有什么重大意义呢？

3.2 引力波研究的重大意义

广义相对论预言下的引力波来自于宇宙间带有强引力场的天文学或宇宙学波源，近半个世纪以来的天体物理学研究表明，引力辐射在天体系统中出现的场合非常丰富。这些可期待的波源包括银河系内的双星系统（白矮星、中子星或黑洞等致密星体组成的双星），河外星系内的超大质量黑洞的合并，脉冲星的自转，超新星的引力坍缩，大爆炸留下的背景辐射等等。引力波的观测意义不仅在于对广义相对论的直接验证，更在于它能够提供一个观测宇宙的新途径，就像观测天文学从可见光天文学扩展到全波段天文学那样极大扩展人类的视野。传统的观测天文学完全依靠对电磁辐射的探测，而引力波天文学的出现则标志着观测手段已经开始超越电磁相互作用的范畴，引力波观测将揭示关于恒星、星系以及宇宙更多前所未知的信息。

与基于电磁波观测的传统观测天文学不同，引力波天文学具有如下特点：（1）引力波直接联系着波源整体的宏观运动，而非如电磁波那样来自单个原子或电子的运动的叠加，因此引力辐射所揭示的信息与电磁辐射观测到的完全不同。例如对一个双星系统观测到的引力波的偏振揭示了其双星轨道的倾斜度，这类关于波源运动的宏观信息通常无法从电磁辐射观测中取得。（2）如果比较波长与波源尺寸的关系，宇宙间的引力波并不像电磁波那样波长比波源尺寸小很多，这使得引力波天文学通常不能像电磁波天文学那样对波源进行拍照成相，而是类似声波直接从波形分析波源的性质。（3）大多数引力波源很难或根本无法通过电磁辐射直接观测到（例如黑洞），这个事实反过来也成立；考虑到现在一般认为宇宙间不发射任何电磁波的暗物质所占比例要远大于发射电磁波的已知物质，暗物质与外界的唯一相互作用即是引力相互作用，引力波天文学对这些暗物质的观测具有重要意义。（4）引力波与物质的相互作用非常弱，在传播途径中基本不会像电磁波那样容易发生衰减或散射，这意味着它们可以揭示一些宇宙角落深处的信息，例如宇宙诞生时形成的引力辐射至今仍然在宇宙间几乎无衰减地传播，这为直接观测大爆炸提供了仅有的可能。所以对引力波的探测和研究对我们了解宇宙是至关重要的。而且对引力波的研究很有可能会给我们带入“引力波天文学”时代。