看到@wzyboy的帖子 提到“引力波调协收音机”的概念,觉得很有意思,于是请Gemini去研究了引力波收音机和引力波电台。
引言:一扇窥探宇宙的新窗口
在人类探索宇宙的漫长历史中,我们几乎完全依赖光——从可见光到X射线、射电波等各种形式的电磁辐射——来描绘星辰的画卷。这就像一个物种,生来只有视觉。然而,在2015年,科学界迎来了一个历史性的转折点。科学家们首次直接探测到了引力波(Gravitational Waves, GW),这是一种由阿尔伯特·爱因斯坦在一个世纪前,于1915年基于其广义相对论所预言的现象 [1, 2]。这次探测开启了一扇全新的观测窗口,赋予了人类一种前所未有的感知宇宙的方式:聆听 3。
如果说传统的天文望远镜是我们的“眼睛”,那么像激光干涉引力波天文台(LIGO)这样的探测器,就可以被形象地比作一台构造极其精密、灵敏度高到匪夷所思的“宇宙收音机”。它并非接收电磁波,而是捕捉时空本身的振动——那些由宇宙中最剧烈事件,如黑洞碰撞,所产生的时空涟漪 [1, 4]。这些涟漪以光速传播,携带着关于其源头和引力本质的纯粹信息,几乎不受任何物质的阻碍和扭曲 [3, 5]。
本报告旨在解构这台“宇宙收音机”。我们将首先回顾传统收音机如何通过调谐电路从嘈杂的电波中选择出特定的电台,以此建立一个熟悉的类比。随后,我们将深入探讨引力波的物理本质,以及宇宙中哪些“广播源”在发送这些信号。接着,我们将详细剖析引力波探测器这台精密仪器的构造与工作原理。最后,我们将探讨一个终极的思维实验:一个智慧文明如何能从一个被动的聆听者,转变为一个主动的广播者,建立起自己的“引力波电台”。
第一节 收音机的剖析:信号选择的艺术
为了理解引力波探测器这台“宇宙收音机”的精妙之处,我们首先需要回顾其更为人所熟知的“近亲”——传统无线电收音机的工作原理。其核心功能在于从无数广播信号中精准地选择出我们想要收听的那一个。
1.1 天线与电波
一部收音机的工作始于天线。这根简单的金属导体持续浸润在由无数广播电台发射的、频率各异的电磁波海洋中。当这些电磁波扫过天线时,它们会在金属内部感应出微弱的、振荡的电流。关键在于,天线本身是非选择性的,它会同时接收到所有电台的信号,形成一个包含了众多频率的、极其复杂的混合电信号 6。此时的信号就像一个嘈杂的派对,所有人的声音都混在一起,无法分辨。收音机的下一个任务,就是从这片嘈杂中分离出唯一的目标声音。
1.2 谐振之心:LC调谐器
从混合信号中筛选出特定频率的魔法,发生在收音机的“心脏”——调谐电路中。最经典的调谐电路是LC电路,由一个电感(Inductor, L)和一个电容(Capacitor, C)构成。这个简单的组合构成了一个电谐振器,其工作原理与音叉的机械共振类似 。
其物理过程是能量在电感和电容之间的持续振荡。当电容充电时,能量以电场的形式储存在电容中;随后电容放电,电流流过电感,能量转化为磁场储存在电感中;当磁场消散时,又会感应出电流为电容反向充电,如此周而复始 。
这种能量振荡的频率并非任意的,而是由电路的一个内在属性——谐振频率(resonant frequency)决定。在谐振频率点,电感的感抗(inductive reactance, )和电容的容抗(capacitive reactance, )大小相等、相位相反,相互抵消 。对于一个并联LC电路,这意味着在谐振频率下,电路的总阻抗达到最大值。因此,当天线传来的混合信号经过LC电路时,只有频率恰好与电路谐振频率相符的信号能够在该电路上产生最大的电压响应,而其他频率的信号则因阻抗较低而被有效“滤除”或分流。正是这种频率选择性的放大,构成了调谐的核心 。
这个谐振频率由电感值L和电容值C唯一确定,其关系式为:
其中, 是谐振频率,L是电感量,C是电容量 。这个公式清晰地表明,电路的物理元件属性直接决定了它会“收听”哪个频率。
1.3 调谐与解调
用户转动收音机调谐旋钮的动作,实际上是在改变一个可变电容器的电容量C 。根据上述公式,改变C值就会改变电路的谐振频率,从而让收音机锁定在不同电台的频率上。更高级的收音机(如超外差式接收机)会采用更复杂的策略,将接收到的高频射频信号(RF)与本机振荡器产生的信号进行混频,得到一个固定的中频(IF)信号,例如455 kHz。由于中频是固定的,后续的滤波和放大电路可以被设计得更加高效和精准 。
信号被选中并放大后,最后一步是解调(demodulation)。这个过程是从高频的载波(carrier wave)中剥离出有用的信息——音频信号。音频信号随后被送往扬声器,我们就听到了广播 6。
从这个过程中我们可以看到,传统收音机的调谐本质上是一种基于硬件的、频率特定的谐振放大。电路的物理结构被精确设计,以产生一个尖锐且可调的谐振峰。这种直接的、物理性的选择机制,为我们理解引力波的“调谐”提供了一个重要的对比基准。
第二节 宇宙的广播:引力波的物理学
与电台发射的、旨在被接收的电磁波不同,引力波是宇宙自身物理过程的副产品。它是一种性质截然不同的“广播”,其产生机制和信号特征决定了“收听”它的方式必须根本不同。
2.1 爱因斯坦的预言:时空结构的涟漪
根据爱因斯坦的广义相对论,引力并非一种常规的力,而是由质量和能量分布导致的四维时空(三维空间加一维时间)的弯曲 7。正如约翰·惠勒(John Wheeler)的名言所说:“时空告诉物质如何运动,物质告诉时空如何弯曲” 7。
引力波正是这种弯曲时空的动态表现。当一个有质量的物体加速运动时,它会扰动周围的时空,产生以光速向外传播的涟漪。这些涟漪并非在时空中传播的波,而是时空本身的波动 。一个经典的类比是向平静的池塘投下一颗石子,水面会泛起从中心向外扩散的涟漪 [1, 8]。当引力波经过时,它会对空间本身进行有节奏的拉伸和压缩。例如,一组呈环形排列的静止粒子,在引力波垂直通过时,会交替地在两个垂直方向上被拉伸和压缩,呈现出“十字形”的振动模式 3。
2.2 广播者:宇宙的剧变
并非任何加速的物体都能产生可被探测到的引力波。由于引力相互作用极其微弱,引力波的产生需要极端的天体物理条件:巨大的质量以接近光速的速度进行非对称性运动 [3, 9]。这意味着,宇宙中的“引力波广播源”都是一些最剧烈、最致密的天体事件。
最理想的引力波源是致密双星系统,特别是两个黑洞、两颗中子星,或是一个黑洞和一颗中子星组成的系统 [2, 3, 4]。当它们相互绕转时,会持续地以引力波的形式辐射能量。其他潜在的源还包括非对称的超新星爆发,甚至可能是宇宙大爆炸自身留下的遗迹 [2, 3]。
2.3 “啁啾”信号:轨道衰减之歌
对于双星系统而言,其发出的引力波信号具有一种非常独特的特征,被称为“啁啾”(chirp)信号。由于系统通过辐射引力波不断损失能量和角动量,两个天体的轨道会不可避免地收缩,它们之间的距离越来越近,绕转速度也越来越快 [9, 10]。
这个过程形成了一个正反馈循环:轨道收缩导致绕转加速,而加速的运动又导致更强的引力波辐射,从而使轨道收缩得更快。反映在信号上,就是引力波的频率(等于双星轨道频率的两倍)和振幅(强度)都会随着时间的推移而稳定增加 [11, 12]。这就像一首音调和音量都不断升高的歌曲,最终在两个天体发生猛烈碰撞并合的瞬间达到高潮,然后信号戛然而止 。
这种从低频到高频的频率扫描特性,是双星并合引力波信号的“指纹”。它与无线电台广播的固定载波频率形成了鲜明对比。电台为了被清晰地接收,会稳定地工作在一个频率上;而引力波源则是一个纯粹的物理过程,其信号频率是动态演变的。这一根本差异决定了我们不能像调谐收音机那样,简单地将探测器“停在”某个特定频率上等待信号,而必须采用一种能够识别这种动态频率模式的全新策略。
第三节 引力波收音机:解构干涉仪
引力波探测器,这台终极的“宇宙收音机”,其设计和工作原理是对极端物理和精密工程挑战的极致回应。它通过一种混合了硬件和软件的复杂方式来实现“调谐”。
3.1 宇宙天线:数公里长的干涉臂
引力波探测器的“天线”是巨大的L型迈克尔逊激光干涉仪。以LIGO为例,它由两条相互垂直、长度均为4公里的超高真空管道构成 [2, 4, 13]。在两条臂的交点,一束高功率激光被分束器一分为二,分别射入两条臂中。光束在臂的末端被镜面反射,返回分束器后重新汇合,产生干涉图样 14。
其探测原理在于,当一束引力波穿过探测器时,它会非对称地改变时空。例如,它会拉伸一条臂,同时压缩另一条垂直的臂。这种拉伸和压缩是交替进行的,导致两条臂的长度发生微小的、周期性的相对变化 [3, 14, 8]。这种长度变化改变了两束激光的传播路径长度,从而改变了它们返回汇合点时的相位关系,最终导致干涉图样的强度发生变化。这个变化的信号,就是探测器捕捉到的原始引力波信号。
然而,这个信号极其微弱。即使是来自13亿光年外两个黑洞合并的强大引力波事件,其到达地球时引起的4公里长干涉臂的长度变化,也仅为质子直径的万分之一 。探测如此微小的变化,是引力波天文学面临的核心技术挑战。
3.2 被动调谐器:探测器的灵敏度曲线
与可以清晰调谐到特定电台的收音机不同,引力波探测器的工作性能从根本上受制于各种噪声。这些噪声源的总和,决定了探测器的灵敏度曲线,这可以被看作是一种被动的、固定的“调谐”。
这条曲线通常呈现为一个“U”形或“桶”形,定义了探测器能够有效“收听”的频率范围,即其“接收频段” 14。在这个频段之外,噪声会完全淹没任何可能的天体物理信号。主要的噪声来源包括:
- 地震噪声(Seismic Noise): 在低于约10 Hz的低频区域,来自地面的振动,如微小的地震、海浪拍击海岸、甚至远处的卡车行驶,都会成为主导噪声。为了抑制它,探测器的核心部件(如镜面)被悬挂在复杂的多级悬摆系统上,以实现与地面的隔振 14。
- 热噪声(Thermal Noise): 在大约10 Hz到几百Hz的中频核心区域,噪声主要来自构成探测器自身的原子和分子的随机热运动。悬挂镜面的悬丝和镜面本身镀层的热振动都会引起镜面的微小位移,形成噪声 。降低温度、使用高品质因数(高Q值)的材料(如熔凝石英)是抑制热噪声的关键手段 14。
- 量子噪声(Quantum Noise): 在高于几百Hz的高频区域,噪声来源于光本身的量子特性。其中一种是散粒噪声(Shot Noise),由到达光电探测器的光子数量的随机波动引起。另一种被称为真空涨落(vacuum fluctuations),是进入探测器的电磁场量子涨落引起的 。提高激光功率、使用“压缩真空态光”(squeezed light)等量子测量技术是抑制量子噪声的前沿方法 [15, 16]。
这三大噪声源共同塑造了探测器的灵敏度曲线,形成了一个大约在10 Hz到数千Hz之间的“灵敏窗口” [2, 14]。这个窗口就是引力波“收音机”的“广播频段”。它不是通过转动旋钮来选择的,而是由探测器整体的物理设计和工程极限所决定的。LIGO和Virgo等探测器的每一次升级,都是一场旨在压低噪声曲线、拓宽和加深这个“灵敏窗口”的艰巨工程战役 [14, 16]。
3.3 数字调谐器:匹配滤波与模板库
仅仅拥有一个灵敏的“接收频段”是远远不够的,因为即使在这个频段内,引力波信号的强度也远低于噪声水平,完全被淹没在其中 12。这就需要一种主动的、数字化的“调谐”方法,这就是匹配滤波(matched filtering)。
这个过程可以被理解为在极度嘈杂的环境中寻找一个已知的、特定的声音模式。科学家们首先利用广义相对论进行大规模的数值模拟,计算出在各种不同情况下(例如,不同质量、不同自旋的黑洞或中子星合并)可能产生的引力波波形。这些成千上万个理论预测的波形构成了一个庞大的“模板库”(template bank) [12, 17, 18]。
数据分析流水线会实时地将探测器接收到的嘈杂数据流与模板库中的每一个模板进行互相关(cross-correlation)计算。如果数据中的某一段恰好隐藏着一个与某个模板高度匹配的“啁啾”信号,那么该模板的信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)就会显著飙升,远超随机噪声的起伏 [12, 18]。这个过程就如同在全频段的噪音中,通过一个“数字调谐器”不断切换“调谐模式”(即模板),直到一个清晰的“电台”(即引力波信号)浮现出来。
这是一种基于模式识别的“调谐”,而非基于频率谐振的放大。由于模板库的规模巨大(数十万个模板),且需要处理的数据量庞大,匹配滤波是一个计算密集型任务,需要强大的高性能计算集群支持 。
为了更清晰地展示这种类比与差异,下表对传统收音机和引力波天文台进行了对比:
| 特性/功能 | 传统收音机 | 引力波天文台 |
|---|---|---|
| 信号载体 | 电磁波(如无线电波) | 引力波(时空的涟漪) |
| 信号源 | 人造发射台(如广播电台) | 天体物理剧变(如黑洞并合) |
| 天线 | 金属杆/线(被动收集器) | L型激光干涉仪(主动、对噪声敏感的探测器) |
| “广播频段” | 由法规定义(如FM频段 88-108 MHz) | 由探测器噪声下限决定(灵敏度曲线,约10-1000 Hz) |
| 调谐机制 | 硬件谐振: LC电路选择一个单一、固定的频率。 | 软件模式识别: 匹配滤波识别一个横跨整个频段的频率扫描模式(“啁啾”)。 |
| 调谐动作 | 物理上转动旋钮改变L或C值。 | 计算上将数据与理论波形模板库进行比对。 |
| 解调 | 从载波中提取音频信号。 | 参数估计: 从匹配的波形中提取源的物理属性(质量、自旋等)。 |
| 主要挑战 | 信号强度、其他电台的干扰。 | 克服压倒性的仪器和环境噪声。 |
这个对比揭示了一个深刻的差异:在传统收音机中,天线是简单的被动元件,复杂性在于下游的调谐和放大电路。而在引力波探测中,情况几乎完全相反。其“天线”(干涉仪)本身是一个极其复杂、主动与噪声搏斗的精密系统,工程上的绝大部分努力都投入到了如何让“天线”变得更“安静”上 。而主要的“调谐”工作,则是一个在数据产生之后进行的、基于软件的计算任务。
第四节 解码广播:引力波信号中的科学
一旦通过匹配滤波“调谐”到一个引力波信号,真正的科学探索才刚刚开始。引力波的“解调”过程,即参数估计(parameter estimation),是从信号波形中榨取关于其宇宙源头丰富物理信息的过程。与电台广播中信息被“附加”在载波上不同,引力波的波形本身就是信息。
4.1 解读波形:从啁啾到物理
引力波信号的每一个细微特征都直接映射着源头的物理动力学过程:
- 啁啾质量(Chirp Mass): 在双星旋进阶段,信号频率增加的速率主要由一个特殊的质量组合——“啁啾质量”()决定。这是从信号的相位演化中最容易、最精确测量的物理量 [11, 12, 19]。
- 独立质量与自旋: 信号波形的更精细结构,特别是并合阶段和并合后残余黑洞“铃振”(ringdown)阶段的特征,能够打破啁啾质量的简并性,让科学家得以推断出两个天体各自的质量和自旋状态 20。
- 距离: 信号的振幅(强度)与到源头的距离成反比。因此,通过测量信号的“响度”,可以估算出该事件发生的距离 。不过,这个测量值与源的轨道倾角等存在一定的耦合,需要更多信息来精确确定。
- 检验广义相对论: 通过将探测到的真实信号与基于广义相对论的数值模拟结果进行逐点比对,科学家可以在前所未有的强引力场环境下对爱因斯坦的理论进行最严苛的检验 。
4.2 定位“电台”:全球探测器网络
单个引力波探测器就像一只耳朵,对声音来源的方向不敏感。为了在广袤的天空中定位引力波源,科学家们依赖一个全球性的探测器网络,如美国的两个LIGO探测器、欧洲的Virgo探测器和日本的KAGRA探测器 [2, 16]。
引力波信号以光速传播,到达地球上不同位置的探测器会有微小的时间差。通过精确测量这个纳秒至毫秒量级的时间差,并结合在每个探测器中测得的信号振幅和相位信息,就可以像GPS定位一样,通过三角测量法将引力波源在天空中的位置锁定在一个较小的区域内 。探测器越多,网络越广,定位就越精确。
4.3 多信使体验:聆听与目睹宇宙
引力波天文学最激动人心的进展之一是多信使天文学(multi-messenger astronomy)的兴起。这是一种结合引力波的“听觉”与传统望远镜的“视觉”(电磁波)以及其他信使(如中微子)的全新天文学范式 。
2017年8月17日探测到的GW170817事件是这一领域的里程碑。LIGO和Virgo“听到”了来自1.3亿光年外两颗中子星并合的引力波“啁啾”声,该信号持续了约100秒 。在引力波信号到达后仅1.7秒,费米伽马射线空间望远镜就“看到”了来自同一片天区的短伽马射线暴。随后,全球数十台地面和空间望远镜对该区域进行了接力观测,捕捉到了从伽马射线、X射线、紫外、光学、红外到射电波段的全谱段电磁辐射,即所谓的“千新星”(kilonova) 。
这次“既听到又看到”的观测是一块科学的“罗塞塔石碑”。它一举证实了多个长期以来的理论猜想:中子星并合是短伽马射线暴的引擎之一;它们是宇宙中金、铂等超重元素的主要合成工厂;通过结合引力波测得的距离和其宿主星系的光学红移,它还提供了一种全新的、独立的测量宇宙膨胀速率(哈勃常数)的方法 [21, 16]。这充分展示了同时“收听”和“观看”宇宙大戏所能带来的巨大科学回报。
第五节 宇宙级广播:引力波电台的构想与挑战
我们已经将LIGO比作一台被动的“宇宙收音机”。一个自然而然的问题是:一个智慧文明能否从聆听者转变为广播者,建立一个主动的“引力波电台”?这是一个跨越工程学和物理学极限的宏大构想。
5.1 根本性挑战:为何广播时空如此之难?
建造引力波电台的难度远超建造探测器,其根源在于引力本身的性质。电磁波由振荡的电偶极子(dipole)高效产生,但引力只有一种“电荷”(质量),且总是相吸的,因此不存在引力偶极辐射。引力波的最基本辐射形式是四极辐射(quadrupole radiation),例如一个旋转的哑铃 [22, 23]。这种辐射形式的效率极其低下。一个重达50万公斤、长20米的旋转杆,即使以材料强度的极限速度旋转,其产生的引力波功率也比一个普通灯泡的功率低31个数量级 22。能量转换效率约为 ,几乎所有能量都以热量耗散掉了 [22, 24]。
5.2 宇宙级发射器蓝图:黑洞引擎
面对常规方法的局限,一个足够先进的文明必须转向宇宙中最强大的引力波源:黑洞。一个理论上可行的引力波发射器,其核心可能是一个由微型黑洞构成的精密引擎。该引擎将由两个黑洞组成:一个作为引力中心的“主”黑洞(M),以及一个质量更小、作为“振子”的“信使”黑洞(m)。
广播过程可能是这样的:该文明利用我们无法想象的技术,将“信使”黑洞以接近光速的速度,精确注入到“主”黑洞周围一个靠近“光子球层”(photon sphere)的轨道上 [25, 10]。在此区域,“信使”黑洞的高速绕转会以“引力同步辐射”的形式,极其高效地将动能转化为强大的引力波 [25, 10]。
5.3 频率调制(FM)的实现与计算
要广播信息,就必须对引力波进行调制 [26, 27]。对于“引力波FM电台”,核心在于调制其频率。引力波的频率主要由双星系统的轨道频率决定(通常是其两倍)。因此,控制轨道,就是控制频率。
一个先进文明可以通过精确改变“信使”黑洞(m)环绕“主”黑洞(M)的轨道分离距离(a),来改变其轨道频率,从而实现对引力波频率的调制 。我们可以用一个简化的牛顿模型进行估算:
-
轨道频率与引力波频率关系:
-
轨道频率(开普勒第三定律):
其中 G 是引力常数, 和 是两个黑洞的质量, 是它们的轨道分离距离 。 -
引力波频率公式:
计算示例:
假设一个先进文明操控一个由1个地球质量( kg)的“主”黑洞和一个0.1地球质量( kg)的“信使”黑洞组成的系统 。
-
当轨道距离 a = 1.0 米时, 我们可以计算出“载波频率”:
Hz,即 6.65 MHz。这个频率处于传统无线电的短波频段。 -
进行频率调制: 为了编码信息,该文明可以微调轨道距离。例如,将轨道距离压缩到 a = 0.9 米:
Hz,即 7.80 MHz。
通过在这两个频率(或更多频率)之间快速切换,该文明就能以引力波为载体,实现频率调制通信。
5.4 神级文明的工程清单
实现上述蓝图需要堪称“神级”的技术:
- 操控黑洞: 必须有能力捕获、移动甚至人造微型黑洞 [25, 10]。
- 天文数字级的能源: 驱动黑洞引擎的能量是骇人的。一个理论模型显示,要让信号在1000光年外被探测到,发射器的能量输出需要达到太阳总输出功率的 倍 。这需要一个能驾驭整个恒星系能源的卡尔达肖夫III型文明 。
- 匪夷所思的精准控制: “信使”黑洞的注入轨道必须极端精确,才能进入高效辐射轨道而非被吞噬 25。
- 定向广播: 可能需要构建由多个黑洞引擎组成的“相控阵”,将引力波能量汇集成束,实现定向通信 [28, 29]。
结论:在聆听与广播之间
“宇宙收音机”的比喻为我们理解引力波探测这一前沿科学提供了一个有力的框架。它帮助我们认识到,LIGO等天文台是通过一种被动(由噪声决定的灵敏度曲线)和主动(基于模板匹配的数字滤波)相结合的方式,从宇宙的背景噪音中“调谐”到特定天体物理事件的。
然而,这个比喻的局限性也同样深刻。电台广播是一种主动、有意的通信行为,而我们目前探测到的引力波,则是天体物理过程的被动、偶然的副产品。将角色从被动的“聆听者”转变为主动的“广播者”,是一个在理论上并非绝无可能,但在实践中却面临着物理学根本性障碍的巨大飞跃 [26, 30]。
我们遇到了一个根本性的物理学二元对立:正是那个使引力波成为完美信息信使的特性——与物质的微弱相互作用,使其能几乎无衰减地穿透一切——也恰恰是那个使我们几乎无法高效地人工“写入”信息的特性 [22, 23]。这个悖论决定了,在可预见的未来,我们在宇宙的宏伟交响乐中,注定只能是谦卑的聆听者。我们的任务,就是不断升级我们的“宇宙收音机”,让它变得更灵敏,能够听到更遥远、更微弱的宇宙之声,继续揭开时空深处的奥秘。
参考文献
: https://gwic.ligo.org/3Gsubcomm/docs/GWIC_Data_Analysis_Computing_Challenges.pdf
: https://www.researchgate.net/publication/325176592_A_GRAVITATIONAL_WAVE_TRANSMITTER
: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11982929/
: https://arxiv.org/abs/1906.10212
: https://www.ligo.caltech.edu/page/press-release-gw170817?highlight=chirp
: https://www.energy.gov/science/articles/deciphering-gravitational-waves
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: https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_wave
: https://indico.ego-gw.it/event/133/contributions/1967/subcontributions/185/attachments/1254/2187/Chirp%20Mass%20Working%20group%20for%20Gravitational%20Waves.pdf
: https://www.ligo.caltech.edu/page/what-are-gw
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: https://reviseomatic.org/help/2-radio/Radio%20Tuned%20Circuits.php
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: https://en.wikipedia.org/wiki/LC_circuit
: https://www.reddit.com/r/ECE/comments/1gs7rb7/lc_resonant_circuit_to_make_an_fm_radio_tuner/
: https://physics.stackexchange.com/questions/43859/would-it-be-possible-to-transmit-information-through-gravitational-waves
: https://www.youtube.com/watch?v=QJr60m4_a1M
: https://astronomy.stackexchange.com/questions/36307/is-gravitational-wave-frequency-always-equal-to-double-the-orbital-frequency