王善欽 吳雪峰

并合前（旋進）、并合時與并合后（鈴宕）的引力波波形。

13億年前，在距離地球非常非常遙遠的地方發(fā)生了一件大事，也可以算是宇宙中的一個大災(zāi)難。不過，它與地球上發(fā)生的任何災(zāi)難都不同：它靜悄悄地發(fā)生，也不發(fā)出耀眼光芒，即使你就在它附近，也不會看見光亮。

發(fā)生的事情是兩個黑洞相撞了。它們非常巨大，一個有36個太陽的質(zhì)量，另一個有29個太陽的質(zhì)量。它們在宇宙中快速地繞著共同的中心旋轉(zhuǎn)著，并逐漸靠近，就像是被吸進了下水道的漩渦。黑洞的巨大引力，還會使周圍的空間發(fā)生變形和扭曲，隨著它們的旋轉(zhuǎn)，時空也被猛烈地拖拽，從而釋放出一陣陣引力波。

引力波極難探測

引力波非常微弱，它的強度與天體速度v和光速c的比值（即v/c）的5次方成正比。而絕大部分天體的速度都遠遠低于光速，因此v/c的值非常小，遠小于1，v/c的5次方就更是極端小了。此外，引力波的強度還與距離的平方成反比，這就導(dǎo)致大多數(shù)遙遠星體發(fā)出的引力波，即使開始時的能量比較強，到達地球附近時也已變得非常微弱。

這兩個原因使得引力波極難被直接探測到。前文提到的根據(jù)雙中子星周期變化來判斷引力波的存在，是間接證明引力波存在，而不是直接探測到引力波。

第一位宣稱直接探測到引力波的人是美國物理學(xué)家韋伯。他使用一根巨大的固體金屬棒（“韋伯棒”）來探測引力波，其原理是引力波傳過金屬棒時，會引起金屬棒共振，導(dǎo)致輸出的信號被放大，從而可能觀測到引力波。盡管韋伯宣布自己探測到引力波，但此后的其他學(xué)者采用韋伯的方案，卻無一人探測到引力波，因此人們認為韋伯宣稱的結(jié)果其實是儀器的問題，而不是由引力波導(dǎo)致的。直到現(xiàn)在，某些研究人員運作的類似儀器也只能探測到非常強烈且非常近的引力波輻射，而無法探測到更遙遠的天體發(fā)射出的引力波。

著名的楊氏雙縫實驗表明光是一種波，會發(fā)生干涉現(xiàn)象，在屏幕上形成明暗相間的條紋。

光的干涉與LIGO項目

隨著韋伯棒的失敗，更先進的直接觀測方案開始出現(xiàn)。20 世紀70年代，麻省理工學(xué)院的韋斯開始計劃建造激光干涉儀來探測引力波。幾乎與此同時，加州理工學(xué)院的索恩和德雷弗也開始合作進行此類干涉儀的研制。

激光干涉儀的原理其實很簡單。眾所周知，光是一種波，具有波峰和波谷。我們可以將同一個光源發(fā)出的光分為兩束，然后讓它們再度匯合。如果這兩束光經(jīng)過路程的差值等于它們波長的整數(shù)倍，那么波峰和波峰就會疊加在一起，形成更強的光;如果差值等于它們波長半整數(shù)的奇數(shù)倍（比如1.5倍、2.5倍），其中一列波的波峰與另一列波的波谷疊加，二者的強度互相抵消，光就變暗了。著名的楊氏雙縫實驗就體現(xiàn)了這一原理，在屏幕上形成了明暗相間的條紋圖案。

激光干涉引力波探測器的基本原理與上文所說的類似，只是將普通的光替換為激光，因為激光具有強烈的準直性，在傳播過程中光束大小的變化幾乎可以忽略不計。探測器遵循以下的原理：激光發(fā)射器發(fā)射出的激光被分光鏡（半透明的半透鏡）分為互相垂直的兩束，分別在兩個高度真空的管道中傳播，經(jīng)過兩塊鏡面的多次反射，進入探測器，兩束光會發(fā)生疊加（“干涉”）并產(chǎn)生條紋。

如果我們調(diào)整兩塊鏡子之間的距離，就能讓干涉條紋消失。而當引力波傳播過來時，空間隨之產(chǎn)生波動，導(dǎo)致鏡子和探測器之間的距離也產(chǎn)生波動。兩條互相垂直的管道里的空間伸縮或扭曲程度不同，導(dǎo)致激光在兩個臂中經(jīng)過的距離也不同，兩束激光形成的干涉條紋隨之發(fā)生變化，從而被記錄下來。研究人員通過分析干涉條紋的變化，可以直接判斷出引力波的強度與變化規(guī)律。

在完成原理的論證之后，韋斯、索恩和德雷弗分別申請基金建造這類干涉儀，其名稱為“激光干涉引力波天文臺”，英文縮寫為LIGO。相關(guān)部門要求2個小組共同建造，因此這3位科學(xué)家也就成為了LIGO項目的奠基人（索恩和韋斯因此獲得了2017年的諾貝爾物理學(xué)獎，而德雷弗因為不幸于2017年3月病逝而未獲獎）。1984年，LIGO項目正式啟動，并于1994年獲得約4億美元的資金資助。2002年，LIGO項目建成，并逐步開始運行，但由于當時精度不夠，在很長一段時間內(nèi)實驗都沒有獲得成果。2004年，LIGO開始升級，后于2015年完成升級，正式運行。如今的LIGO由兩個完全相同的裝置構(gòu)成，分別位于美國華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的利文斯頓，彼此相距約3000千米，而每條LIGO的激光管道的長度為4千米。

LIGO的輸入激光功率開始是20瓦，經(jīng)過分光鏡后變?yōu)?00瓦，最后進入探測器時已增強為10萬瓦。一般而言，LIGO對頻率在100到300赫茲范圍內(nèi)的引力波最敏感。但在完成升級后，靈敏度提高到原來的3至5倍，對于60赫茲以下的低頻率引力波的靈敏度也已提高了10倍以上。目前所知，LIGO計劃探測的引力波主要來自以下幾類現(xiàn)象：黑洞和黑洞并合、中子星和中子星并合、黑洞和中子星并合、超新星不對稱爆發(fā)等。

首次運行的LIGO航拍圖。

終于捕捉到引力波

前文提到，致密雙星在圍繞共同的中心運動時，會輻射引力波并導(dǎo)致軌道收縮。但從系統(tǒng)形成到并合的大約幾億年時間里，絕大部分引力波由于強度、頻率太低而無法被直接探測到。理論計算表明，雙致密星系統(tǒng)只有在即將并合（旋進階段）、并合時與并合后（鈴宕階段）的極短時間內(nèi)，發(fā)出的引力波的頻率才能夠被LIGO敏感察覺。這是因為引力波頻率是雙星繞轉(zhuǎn)頻率的2倍，要想探測到100赫茲左右的引力波就要求雙星繞轉(zhuǎn)頻率達到50赫茲左右，即0.02秒左右完成一次繞轉(zhuǎn)。致密雙星系統(tǒng)只有到即將并合的剎那間，才會繞轉(zhuǎn)這么快。并合后的快速震蕩（鈴宕），也會發(fā)出這個頻率的引力波。因此，只要有足夠高的靈敏度，就能探測到幾十億光年內(nèi)發(fā)生的雙致密星并合事件。

2015年9月14日9時50分45秒（協(xié)調(diào)世界時），位于美國漢福德與利文斯頓的2個LIGO探測器同時觀測到一次引力波事件。這次引力波事件從南半球上空穿入地球，到達探測器，它的頻率從35赫茲到250赫茲，導(dǎo)致的空間變化程度最大值為10-21，相當于1億千米的長度內(nèi)產(chǎn)生一個原子大?。?0-10米）的變化，這也就可以讓我們明白直接探測到引力波為何會如此的艱難。

我們知道，LIGO的管道只有4千米，那么它是如何探測到如此微小的空間變形的呢？答案是鏡面的反射，兩塊鏡面間的不斷反射使得激光途經(jīng)的距離遠超4千米，從而探測到了極其微小的空間變形。

經(jīng)過嚴密的分析，2016年2月11日，LIGO小組正式宣布人類首次直接探測到引力波，他們將這個引力波事件命名為 GW150914（GW是引力波的英文縮寫，150914表示這是2015年9月14日發(fā)現(xiàn)的）。同時，LIGO科學(xué)合作組確認，這是距離我們約13億光年的黑洞和黑洞并合事件。

LIGO科學(xué)合作組的分析表明，這兩個黑洞的質(zhì)量分別約為36個太陽質(zhì)量和29個太陽質(zhì)量，并合后形成中心黑洞的質(zhì)量約為62個太陽質(zhì)量，在此過程中損失了約3個太陽的質(zhì)量。那么這些質(zhì)量去哪里了呢？實際上，這些損失的質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)榱艘Σǖ哪芰?。根?jù)愛因斯坦的質(zhì)量-能量公式（能量等于質(zhì)量乘以光速的平方，E=mc2），損失的質(zhì)量會變?yōu)槟芰?。這次引力波的功率最強時達到了3.6×1049瓦，比最亮的超新星還亮一千億倍，甚至比最亮的伽瑪射線暴也要亮得多。

上述發(fā)現(xiàn)直接促使引力波走上天文學(xué)的舞臺，開辟了天文學(xué)研究的新紀元。此外，這一結(jié)果還證明：超過25個太陽質(zhì)量的恒星級黑洞確實存在且會形成雙黑洞系統(tǒng)。此后，LIGO又發(fā)現(xiàn)3例黑洞與黑洞并合后產(chǎn)生的引力波事件。在2017年8月14日發(fā)現(xiàn)的引力波事件中，歐洲的引力波探測器“室女座”（Virgo）首次參與觀測，并與LIGO聯(lián)合，提高了引力波源的定位精度。而就在3天后的8月17日，LIGO發(fā)現(xiàn)了一個更為轟動的引力波（詳見《揭開宇宙奧秘的“鑰匙”》一文）。

歷史總是存在著有趣的“巧合”。愛因斯坦于1916年證明引力波存在，而就在同一年，他還提出了激光的原理;過了大約50年，人類研制出激光發(fā)射器;2015年（距離愛因斯坦提出廣義相對論100年），人類利用激光技術(shù)，首次探測到了愛因斯坦從理論上證明存在的引力波。2016年2月11日，在愛因斯坦得到引力波的精確性質(zhì)后整整一個世紀，LIGO小組正式宣布人類首次直接探測到了引力波。