人類再次直接探測(cè)到雙黑洞合并的引力波

近日，LIGO科學(xué)合作組織在美國(guó)天文學(xué)會(huì)第 228 次會(huì)議舉行的新聞發(fā)布會(huì)上宣布，他們又確認(rèn)了兩顆黑洞合并的引力波事件。

這股引力波掃過(guò)地球的時(shí)間是2015年12月26日，被美國(guó)“激光干涉引力波天文臺(tái)”（LIGO）的兩臺(tái)孿生引力波探測(cè)器探測(cè)到，因此被命名為GW151226 【Gravitational Wave 2015-12-26】。經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)分析，最終才確認(rèn)這又是一個(gè)引力波事件。

兩次引力波事件的波源所在天球中的可能區(qū)域

這次探測(cè)到的引力波也是由兩顆黑洞在合并的最后階段產(chǎn)生的，距離地球14億光年。兩顆黑洞的初始質(zhì)量分別為14.2顆太陽(yáng)和7.5顆太陽(yáng)，合并成了一顆20.8倍太陽(yáng)質(zhì)量高速旋轉(zhuǎn)的黑洞，虧損的0.9顆太陽(yáng)質(zhì)量以強(qiáng)大引力波的形式釋放到宇宙空間，經(jīng)過(guò)14億年的漫長(zhǎng)旅行，終于抵達(dá)了地球，被美國(guó)的“激光干涉引力波天文臺(tái)”（LIGO）的兩臺(tái)孿生引力波探測(cè)器在圣誕節(jié)期間探測(cè)到。

什么是引力波？

如同石頭丟進(jìn)水里產(chǎn)生波紋一樣，引力波被視為時(shí)空中的漣漪。副本

在物理學(xué)上，引力波是愛(ài)因斯坦1916年根據(jù)廣義相對(duì)論所預(yù)言的一種以光速傳播的時(shí)空波動(dòng)，如同石頭丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋一樣，引力波被視為宇宙中的“時(shí)空漣漪”。

通常引力波的產(chǎn)生非常困難，地球圍繞太陽(yáng)以每秒30千米的速度前進(jìn)，發(fā)出的引力波功率僅為200瓦，還不如家用電飯煲功率大。

1974年物理學(xué)家泰勒（Joseph Hooton Taylor）和赫爾斯（Russell Alan Hulse）發(fā)現(xiàn)了一個(gè)脈沖星雙星系統(tǒng)，后續(xù)的觀測(cè)表明，該系統(tǒng)由于引力波輻射阻尼造成的軌道周期變化符合廣義相對(duì)論的理論預(yù)測(cè)，從而首次間接驗(yàn)證了引力波的存在，榮獲1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

黑洞合并釋放的能量要借助質(zhì)能方程求解

物理學(xué)家根據(jù)探測(cè)到的引力波波形并結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬推斷，兩顆黑洞的初始質(zhì)量分別為14.2顆太陽(yáng)和7.5顆太陽(yáng)，合并成了一顆20.8倍太陽(yáng)質(zhì)量的高速旋轉(zhuǎn)大黑洞。看到這里發(fā)現(xiàn)哪里不對(duì)勁了嗎？通常來(lái)講，14.2顆太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞加7.5顆太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞應(yīng)該等于21.7顆太陽(yáng)質(zhì)量才對(duì)，另外0.9顆太陽(yáng)質(zhì)量去哪里了呢？

愛(ài)因斯坦著名的質(zhì)能方程

這里要用到愛(ài)因斯坦最著名的方程式E=MC^2來(lái)解釋了。該方程不僅能解釋原子核放出巨大的能量，還能解釋這次黑洞碰撞發(fā)出的洶涌引力波。0.9顆太陽(yáng)質(zhì)量以引力波的形式發(fā)出去了！

即使如此巨大的功率，經(jīng)過(guò)14億光年漫長(zhǎng)的旅途之后，洶涌的時(shí)空海嘯已經(jīng)變?yōu)檩p撫地球的漣漪，振幅僅10^-22米（比上次引力波事件的振幅還小一個(gè)數(shù)量級(jí)），也就是說(shuō)4千米長(zhǎng)的LIGO激光干涉臂僅伸縮10^-19米（原子核尺度的萬(wàn)分之一）。

共振型引力波探測(cè)器

上世紀(jì)60年代，馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家韋伯（Joseph Weber）首先提出了一種共振型引力波探測(cè)器。1968年，韋伯宣稱他探測(cè)到了引力波，立刻引起了學(xué)界的轟動(dòng)，但是后來(lái)的重復(fù)實(shí)驗(yàn)都一無(wú)所獲。

激光干涉探測(cè)引力波的原理

兩架孿生引力波探測(cè)器分別在華盛頓州的漢福德（左）和路易斯安那州的利文斯頓，彼此相距3000公里

美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）由兩座孿生的探測(cè)器組成，分別位于華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的利文斯頓，彼此相距3000千米，只有當(dāng)兩個(gè)探測(cè)器檢測(cè)到相同的信號(hào)才有可能是引力波。

LIGO的主要部分是兩個(gè)互相垂直的干涉臂，臂長(zhǎng)均為4000米。在兩臂交會(huì)處，從激光光源發(fā)出的光束被一分為二，分別進(jìn)入互相垂直并保持超真空狀態(tài)的兩空心圓柱體內(nèi)，然后被終端的鏡面反射回原出發(fā)點(diǎn)，并在那里發(fā)生干涉。

若有引力波通過(guò)，便會(huì)引起時(shí)空變形，一臂的長(zhǎng)度會(huì)略為變長(zhǎng)而另一臂的長(zhǎng)度則略為縮短，這樣就會(huì)造成光程差發(fā)生變化，因此激光干涉條紋就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

激光干涉儀工作原理示意圖

激光干涉儀工作原理示意圖：沒(méi)有引力波經(jīng)過(guò)時(shí)，兩束激光干涉相消，沒(méi)有信號(hào)輸出；當(dāng)有引力波經(jīng)過(guò)時(shí)，干涉儀臂的長(zhǎng)度就會(huì)發(fā)生交替改變，從而檢測(cè)到振蕩信號(hào)。

LIGO的時(shí)間簡(jiǎn)史

1967年，麻省理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家萊納?魏斯（Rainer Weiss）開(kāi)始建造激光干涉儀的原型設(shè)備，但最后沒(méi)能成功運(yùn)行。

1968年，加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家基普?索恩（Kip Thorne）開(kāi)始對(duì)引力波進(jìn)行論證研究，研究表明引力波的探測(cè)是絕對(duì)可行的，這為后續(xù)引力波實(shí)驗(yàn)增加了信心。

1991年，麻省理工學(xué)院與加州理工學(xué)院在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的資助下，開(kāi)始聯(lián)合建設(shè)“激光干涉引力波天文臺(tái)”（LIGO）。

1999年，LIGO初步建成，2002年開(kāi)始運(yùn)行。

2007年，LIGO進(jìn)行了一次升級(jí)改造，包括采用更高功率的激光器、進(jìn)一步減少振動(dòng)等。升級(jí)后的LIGO被稱為“增強(qiáng)LIGO”。

2009年7月，增強(qiáng)LIGO開(kāi)始運(yùn)行。

2010年，增強(qiáng)LIGO停機(jī)，進(jìn)行了為期五年的重大升級(jí)改造，被稱為“先進(jìn)LIGO”。

2015年9月14日，尚處于工程模式（engineering mode）階段的“先進(jìn)LIGO”就探測(cè)到了疑似雙黑洞合并的引力波信號(hào)。經(jīng)過(guò)數(shù)月的數(shù)據(jù)分析研究，排除了各種可能的其它原因， LIGO聯(lián)盟于2016年2月11日向世界宣布：人類首次直接探測(cè)到了引力波。

2015年9月18日，“先進(jìn)LIGO”宣布正式運(yùn)行，靈敏度提高了4倍，也就是說(shuō)探測(cè)距離增加了原來(lái)的4倍，探測(cè)的空間體積增加了64倍。

2015年12月26日，“先進(jìn)LIGO”又探測(cè)到了兩顆黑洞合并的引力波事件。LIGO聯(lián)盟于2016年6月16日向世界宣布：人類又探測(cè)到一起黑洞合并引發(fā)的引力波事件。

分布在世界各地的引力波探測(cè)器

分布在世界各地的已建和計(jì)劃中的引力波探測(cè)器

目前主流的引力波探測(cè)器都是這種基于邁克耳孫干涉儀的原理。世界范圍內(nèi)，除了美國(guó)的LIGO引力波探測(cè)器之外，還有德國(guó)和英國(guó)合作的GEO600、法國(guó)和意大利合作的VIRGO、日本的TAMA300以及計(jì)劃中的KAGRA（原LCGT）、澳大利亞計(jì)劃中的AIGO以及印度計(jì)劃中的LIGO-India。