相距遥远的两个天文台真的测到了

美国加州理工大学的索恩发现激光干涉的方法确实可行。于是，麻省理工大学和加州理工大学在美国合作建造了两个激光干涉引力波天文台。激光干涉引力波天文台呈巨大的L形分布，像巨人的两条手臂一样垂直摆放。臂长越长探测引力波的灵敏度也就越高，但是也就意味着更高的技术要求和更多的经费预算。最后他们决定建造两个臂长为4公里的激光干涉引力波天文台。

按照初步的估算，一个双黑洞系统并合时发出的引力波，经过这样的激光干涉引力波天文台时产生的形变也不过一根头发丝的1万亿分之一，或者一个原子的1亿分之一!甚至一辆卡车经过或者一次轻微的地震都足以产生比这大得多的影响。因此激光干涉引力波天文台需要建造在人迹罕至的地下，并将光学装置置于结构复杂的防振台上用以尽量减小地震带来的影响。为降低空气分子热运动的影响，他们又将光路置于几乎完全真空的环境。当然这些都还远远不够。为了减小特定地域偶然的人类活动或地震等产生的影响，他们把这两个天文台分别建在距离3030公里的路易斯安那州的利文斯顿和华盛顿州的汉福德。只有这两个距离如此遥远的天文台同时探测到的信号才有可能真的来自引力波。

这两个激光干涉引力波天文台于1999年11月建成。在停止运行并升级应用了很多新技术后，相较于2010年探测灵敏度提高了大约4倍的aLIGO(advanced LIGO，即提升的激光干涉引力波天文台)于2015年9月开始运行。到2021年它的灵敏度有望再提升大约2.5倍。届时提升的激光干涉引力波天文台所能探测的宇宙空间，比原来的激光干涉引力波天文台要大1000倍。

按照最初的预计，2015年三个月的运行时间内，提升的激光干涉引力波天文台有可能观测到大约0.0004到3个双中子星系统释放出来的引力波信号。十分幸运的是，这两个相距3030公里的激光干涉引力波天文台在开始运行后很短的时间内，即2015年9月14日，同时测量到一个相同的引力波信号。这有力地证明这个信号应当不是由偶然的人类活动或者地震造成的，而确实是来自引力波产生的时空扭曲。

经过细致的分析，他们的结论是这个信号发自距离地球约13亿光年、质量大约分别为36和29个太阳质量的两个黑洞的并合。并合后形成一个质量约为62个太阳质量的黑洞，释放出能量大约相当于3个太阳质量的引力波。他们真的做到了!这是一个不可思议的成功。文章正式发表在2016年2月的《物理评论快报》。现在全世界的人都在关注，他们的成功意义非凡!

探索宇宙奥秘有了新利器

发现引力波不仅为了证实引力波和爱因斯坦的引力理论，而在于它开启了一个全新的方式去窥视宇宙的奥秘。人类从此可以摆脱完全依赖电磁信号(包括可见光和射电)来探索宇宙的单一方法。事实上，宇宙中有很多物理过程很难用电磁信号来探究。经典意义下黑洞是黑的，它完全不发光，因此光信号并不能很好地帮助我们了解黑洞的基本物理。即便黑洞有霍金辐射存在，一个宏观的黑洞所产生的霍金辐射也太过于细微而无法察觉。

此外，在年龄小于38万年的宇宙中充满了带电的粒子，这些粒子和光强烈的耦合在一起，以至于光都无法在宇宙中自由地传播。因此光信号也不能穿透到宇宙的早期。但是，引力是万有的，引力波可以在真空又或是充斥着致密物质的区域中自由传播，无法阻隔。因此引力波可以直接携带大量有关黑洞、中子星、超新星的核心，以及宇宙起源等等的信息，甚至于最终帮助我们理解极为深奥的时空的本质。

提升的激光干涉引力波天文台发现双黑洞并合所释放出来的引力波仅仅是个开端。相信它在不远的将来可以发现更多来自不同引力系统发射出来的引力波。与此同时，欧洲和日本也都在兴建新的激光干涉引力波天文台，例如欧洲的VIRGO和日本的KAGRA(北京师范大学天文系主任朱宗宏教授是此项目的参与人之一。去年朱宗宏教授与参与LIGO的美国加州理工大学陈雁北教授在中国科学院卡弗里理论物理研究所举办了引力波天文学的一个大型国际会议，并在《中国科学》英文版出版了介绍引力波天文学的学术专刊)。这些天文台将组成一个全球引力波探测网络。基于太空的探测装置计划也在筹备之中，比如由欧洲主导的eLISA(中科院有可能参与此项目，它的技术验证卫星已于2015年12月3日发射升空)，以及由我国中山大学主导的天琴计划等。毫无疑问，基于引力波的发现，人类对宇宙的认识将会大踏步向前进。

延伸阅读

引力波存在早有间接证据

虽然这一次LIGO的发现，是“直接”测到了引力波，然而过去已有显著的“间接”证据支持它的存在。最著名的是对于脉冲星双星系统的观测。

20世纪70年代，美国科学家罗素·赫尔斯(Russell Hulse)和约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)在1974年观测到一个脉冲星与另一个中子星组成的双星系统，以极其紧密而快速的模式互相环绕对方，并且呈现了渐进式的旋近。根据广义相对论，此双星系统会以辐射引力波的形式损失能量，从而导致轨道周期每年缩短76.5微秒，轨道半长轴每年减少3.5米，预计大约经过3亿年后发生合并。观测的结果表明旋近周期的变化恰好是广义相对论所预期的值。尽管引力波给予此双星系统周期变化提供一个合理的解释，但是并没有直接观测到引力波造成的时空的扭曲，因此只能认为是为引力波的存在提供一个间接的证据。

尽管如此，这项工作也让两位科学家获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

(作者：黄庆国  中国科学院理论物理研究所研究员)