激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布:人类探测到引力波

激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布:人类探测到引力波

2016年2月11日，“激光干涉引力波天文台”（LIGO）官方刚刚宣布：在爱因斯坦提出引力波概念100周年后，引力波被首次直接观测到。

来自一个双黑洞系统产生的引力波信号在公元2015年9月14日国际标准时间9：51（北京时间17：51）由两座分别设置在华盛顿州和路易斯安那州的LIGO观测台探测到。这也是人类首次直接观测到一个“双黑洞”系统。LIGO项目发言人Gaby González表示此次LIGO探测到的引力波信号来自两个黑洞的合并，这两个黑洞质量分别为29个和36个太阳质量，合并过程中有相当于3倍太阳质量的能量被以引力波形式释放出去。

发布会上，LIGO项目执行主管David Reitze说：“今天，我们开启了引力波天文学的崭新时代。”

时空中的涟漪

当爱因斯坦最早提出他的广义相对论的时候，他彻底革新了我们原先对于时间与空间的概念理解。我们此前一直认为空间是恒定而不变的，物质和能量存在于其中。但爱因斯坦的理论指出空间实际上与能量和质量之间都是相互联系的，并且随着时间推移空间也在发生变化。如果只存在一个质量物体，静止地存在于时空之中（或者处于匀速运动状态），那么它所处的时空不会发生变化。但如果你加入第二个质量物体，那么这两个物体之间就会发生相互运动，互相会向对方施加一个加速度，在这一过程中也就将造成时空结构的改变。更加重要的是，由于存在一个大质量粒子在引力场中运动，广义相对论指出这一大质量物体将会被加速，并释放一种特殊的辐射：引力辐射。

这种引力辐射与你所知的其他任何种类的辐射都不同。它会以光速穿越空间，但它本身又是空间中的涟漪。它从被加速的物体带走能量，这就意味着，如果这两个质量物体处于相互运行的轨道之中，那么随着时间推移这个轨道将会逐渐收缩，这两个质量物体之间的距离将逐渐缩短。不过不要太过担心，对于像地球围绕太阳运行这样一个系统，相对而言这两个天体的质量还太小，而两者之间的距离又非常巨大，因此在引力波耗散能量的条件下，这个轨道也将需要经过10的150次方年才会衰减崩溃，如此长的时间早已远远超过了宇宙的年龄，事实上这也远远超过了已知所有恒星的寿命！然而对于相互绕转的黑洞或中子星而言，它们之间存在的轨道衰 减效应则已经被观测到了。

科学家们认为宇宙中可能还存在着我们尚未探测到的更高能的事件，如黑洞的相互合并。这类事件应该会产生某种特征信号，而这样的信号是可以被“先进LIGO”系统捕捉到的。

先进LIGO探测器

从本质上而言，“先进LIGO”系统采用的探测手法是相当简单而直接的，它利用了引力波辐射的本性和它最重要的性质之一。引力波会造成空间的拉伸或压缩，其频率和强度取决于形成这种引力波的天文事件所具有的一系列特征，如两个相互绕转天体各自的质量大小、它们两者之间的间距以及这一系统距离地球的远近。“先进LIGO”设施包括两条互相垂直的长臂，长度均为4公里。将一束激光用分光镜分成夹角为90度的两束，然后两束激光分别被4公里外的反射镜反射回来并发生干涉，并且这样的反射可以来回进行多次，从而大大增加激光运行的路径长度。由于频率和波长完全一致，在正常情况下，这两束激光应该是完全相同的，但是如果存在引力波作用，则会对这两束激光的波长频率产生影响，从而导致两束激光在叠加的干涉条纹上出现改变。这样的改变将能够让科学家们判断两个绕转天体各自的质量大小、它们之间的间距以及这玩意系统到地球之间的距离等丰富的信息。

先进LIGO包括两处设施，分别位于美国西北部（华盛顿州）以及美国东南部（路易斯安那州）。如果这两处设施均观测到同样的信号，那么我们几乎就能够肯定我们的确是观测到了引力波信号了。目前版本的LIGO系统对于质量在1倍太阳质量到数百倍太阳之间之间的两个黑洞合并过程可能产生的引力波信号最为敏感，且其探测能力可以覆盖距离地球数百万光年之外——在这样一个巨大的空间范围内，符合条件的黑洞合并事件每年都会至少发生几次。

意义重大的引力波

这项发现将是对爱因斯坦广义相对论的又一次证明，后者在将近100年前便预言了引力波的存在。但引力波被首次直接探测到的意义还远不仅于此，它还有着更加重大的意义。作为时空本身的震动，引力波常常会被人和声波进行对比。事实上，引力波望远镜能够让科学家们在光学望远镜“看到”某个现象的同时“听到”它的“声音”。

有趣的是，当LIGO项目在上世纪90年代早期寻求美国政府的资金支持时，它在国会面对的最大反对者竟然是天文学家们。美国佛罗里达大学广义相对论专家，LIGO项目的早期支持者克里福德·威尔（Clifford Will）指出了出现这种情况的原因：“当时普遍的观点是认为LIGO这个项目与天文学之间似乎关系不大。”而反观今天的情况，人们对此的观点已经完全变化了。

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