相距遙遠(yuǎn)的兩個(gè)天文臺(tái)真的測(cè)到了

美國(guó)加州理工大學(xué)的索恩發(fā)現(xiàn)激光干涉的方法確實(shí)可行。于是，麻省理工大學(xué)和加州理工大學(xué)在美國(guó)合作建造了兩個(gè)激光干涉引力波天文臺(tái)。激光干涉引力波天文臺(tái)呈巨大的L形分布，像巨人的兩條手臂一樣垂直擺放。臂長(zhǎng)越長(zhǎng)探測(cè)引力波的靈敏度也就越高，但是也就意味著更高的技術(shù)要求和更多的經(jīng)費(fèi)預(yù)算。最后他們決定建造兩個(gè)臂長(zhǎng)為4公里的激光干涉引力波天文臺(tái)。

按照初步的估算，一個(gè)雙黑洞系統(tǒng)并合時(shí)發(fā)出的引力波，經(jīng)過(guò)這樣的激光干涉引力波天文臺(tái)時(shí)產(chǎn)生的形變也不過(guò)一根頭發(fā)絲的1萬(wàn)億分之一，或者一個(gè)原子的1億分之一！甚至一輛卡車(chē)經(jīng)過(guò)或者一次輕微的地震都足以產(chǎn)生比這大得多的影響。因此激光干涉引力波天文臺(tái)需要建造在人跡罕至的地下，并將光學(xué)裝置置于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的防振臺(tái)上用以盡量減小地震帶來(lái)的影響。為降低空氣分子熱運(yùn)動(dòng)的影響，他們又將光路置于幾乎完全真空的環(huán)境。當(dāng)然這些都還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為了減小特定地域偶然的人類活動(dòng)或地震等產(chǎn)生的影響，他們把這兩個(gè)天文臺(tái)分別建在距離3030公里的路易斯安那州的利文斯頓和華盛頓州的漢福德。只有這兩個(gè)距離如此遙遠(yuǎn)的天文臺(tái)同時(shí)探測(cè)到的信號(hào)才有可能真的來(lái)自引力波。

這兩個(gè)激光干涉引力波天文臺(tái)于1999年11月建成。在停止運(yùn)行并升級(jí)應(yīng)用了很多新技術(shù)后，相較于2010年探測(cè)靈敏度提高了大約4倍的aLIGO（advanced LIGO，即提升的激光干涉引力波天文臺(tái)）于2015年9月開(kāi)始運(yùn)行。到2021年它的靈敏度有望再提升大約2.5倍。屆時(shí)提升的激光干涉引力波天文臺(tái)所能探測(cè)的宇宙空間，比原來(lái)的激光干涉引力波天文臺(tái)要大1000倍。

按照最初的預(yù)計(jì)，2015年三個(gè)月的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，提升的激光干涉引力波天文臺(tái)有可能觀測(cè)到大約0.0004到3個(gè)雙中子星系統(tǒng)釋放出來(lái)的引力波信號(hào)。十分幸運(yùn)的是，這兩個(gè)相距3030公里的激光干涉引力波天文臺(tái)在開(kāi)始運(yùn)行后很短的時(shí)間內(nèi)，即2015年9月14日，同時(shí)測(cè)量到一個(gè)相同的引力波信號(hào)。這有力地證明這個(gè)信號(hào)應(yīng)當(dāng)不是由偶然的人類活動(dòng)或者地震造成的，而確實(shí)是來(lái)自引力波產(chǎn)生的時(shí)空扭曲。

經(jīng)過(guò)細(xì)致的分析，他們的結(jié)論是這個(gè)信號(hào)發(fā)自距離地球約13億光年、質(zhì)量大約分別為36和29個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的兩個(gè)黑洞的并合。并合后形成一個(gè)質(zhì)量約為62個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，釋放出能量大約相當(dāng)于3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的引力波。他們真的做到了！這是一個(gè)不可思議的成功。文章正式發(fā)表在2016年2月的《物理評(píng)論快報(bào)》?，F(xiàn)在全世界的人都在關(guān)注，他們的成功意義非凡！

探索宇宙奧秘有了新利器

發(fā)現(xiàn)引力波不僅為了證實(shí)引力波和愛(ài)因斯坦的引力理論，而在于它開(kāi)啟了一個(gè)全新的方式去窺視宇宙的奧秘。人類從此可以擺脫完全依賴電磁信號(hào)（包括可見(jiàn)光和射電）來(lái)探索宇宙的單一方法。事實(shí)上，宇宙中有很多物理過(guò)程很難用電磁信號(hào)來(lái)探究。經(jīng)典意義下黑洞是黑的，它完全不發(fā)光，因此光信號(hào)并不能很好地幫助我們了解黑洞的基本物理。即便黑洞有霍金輻射存在，一個(gè)宏觀的黑洞所產(chǎn)生的霍金輻射也太過(guò)于細(xì)微而無(wú)法察覺(jué)。

此外，在年齡小于38萬(wàn)年的宇宙中充滿了帶電的粒子，這些粒子和光強(qiáng)烈的耦合在一起，以至于光都無(wú)法在宇宙中自由地傳播。因此光信號(hào)也不能穿透到宇宙的早期。但是，引力是萬(wàn)有的，引力波可以在真空又或是充斥著致密物質(zhì)的區(qū)域中自由傳播，無(wú)法阻隔。因此引力波可以直接攜帶大量有關(guān)黑洞、中子星、超新星的核心，以及宇宙起源等等的信息，甚至于最終幫助我們理解極為深?yuàn)W的時(shí)空的本質(zhì)。

提升的激光干涉引力波天文臺(tái)發(fā)現(xiàn)雙黑洞并合所釋放出來(lái)的引力波僅僅是個(gè)開(kāi)端。相信它在不遠(yuǎn)的將來(lái)可以發(fā)現(xiàn)更多來(lái)自不同引力系統(tǒng)發(fā)射出來(lái)的引力波。與此同時(shí)，歐洲和日本也都在興建新的激光干涉引力波天文臺(tái)，例如歐洲的VIRGO和日本的KAGRA（北京師范大學(xué)天文系主任朱宗宏教授是此項(xiàng)目的參與人之一。去年朱宗宏教授與參與LIGO的美國(guó)加州理工大學(xué)陳雁北教授在中國(guó)科學(xué)院卡弗里理論物理研究所舉辦了引力波天文學(xué)的一個(gè)大型國(guó)際會(huì)議，并在《中國(guó)科學(xué)》英文版出版了介紹引力波天文學(xué)的學(xué)術(shù)專刊）。這些天文臺(tái)將組成一個(gè)全球引力波探測(cè)網(wǎng)絡(luò)?；谔盏奶綔y(cè)裝置計(jì)劃也在籌備之中，比如由歐洲主導(dǎo)的eLISA（中科院有可能參與此項(xiàng)目，它的技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星已于2015年12月3日發(fā)射升空），以及由我國(guó)中山大學(xué)主導(dǎo)的天琴計(jì)劃等。毫無(wú)疑問(wèn)，基于引力波的發(fā)現(xiàn)，人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)將會(huì)大踏步向前進(jìn)。