科學家再次探測到引力波信號：源自14億年前的黑洞合併

北京時間6月16日凌晨1：15，正在美國聖迭戈參加再次召開的第228屆美國天文學會的LIGO科學合作組（LSC）和Virgo合作組的科學家舉行新聞發佈會，報告他們再次探測到引力波信號的消息。這是14億年前兩個遙遠的黑洞相互合併過程所產生的時空擾動，該事件的漣漪穿越宇宙，被地球上的人們探測到。此番再次探測到引力波信號證明引力波信號的探測並非罕見事件，有理由預期未來還將有更多探測案例的出現，從而真正開啓一個嶄新的引力波天文學時代。

這張示意圖展示的是黑洞合併過程產生的時空漣漪——引力波，其正從合併發生區域向周圍空間傳播。此次LIGO探測到的黑洞合併事件牽涉到兩個質量分別為14倍和8倍太陽質量的黑洞，它們合併之後形成了一個質量為21倍太陽質量的新黑洞

藝術示意圖：LIGO探測到兩個正在合併過程中的黑洞

LIGO已經大大增加了已知質量的黑洞數量。這一探測器已經確鑿無疑地探測到了兩次引力波事件，對應兩次獨立的黑洞合併事件（如圖所示，兩個較小質量的黑洞合併成為較大質量的黑洞）。在每一次事件中，LIGO都精確測定了參與事件黑洞各自的質量以及合併後黑洞的質量。圖中虛線標出的是LIGO探測到的一次疑似事件，其由於信號太過微弱而未能得到確認

來自愛因斯坦的聖誕禮物

再次探測到的引力波信號編號為GW151226，它是在2015年12月26日國際標準時03：38：53探測到的，信號顯示，兩個質量分別為大約14倍和8倍太陽質量的黑洞在合併之後形成了一個質量約為21倍太陽質量的黑洞，顯示有大約1倍太陽質量的物質被以引力波的形式釋放出去，項目研究人員稱這次的信號是“來自愛因斯坦的聖誕禮物”。

今日凌晨發佈會現場發佈的此次引力波事件的信號圖

在發佈會一開始就由美國路易斯安那州立大學的LIGO科學合作組發言人加布艾拉·岡薩雷斯女士女士（Gabriela González）開門見山地宣佈了再次探測到引力波的消息。 這是他們自從今年2月份宣佈首次探測到引力波信號以來再次宣佈探測到引力波信號。

什麼是引力波

引力波是時空的漣漪，它是由宇宙中的一些最為劇烈的事件產生的，如大質量緻密天體的碰撞或合併事件。引力波的存在早在1916年便已經由愛因斯坦預言，當時愛因斯坦證明了加速下的大質量物體將會扭曲時空，併產生從該源頭髮出的時空漣漪。這種“漣漪”將以光速穿過宇宙，攜帶着關於產生它們的那次災難性事件和引力本質的珍貴信息。

在過去的數十年間，天文學家們已經找到大量證據證明引力波的存在，主要手段是通過引力波對銀河系中近距離繞轉天體運動產生的影響所開展的相關研究。這些間接研究的結果與愛因斯坦在100年前的預言吻合度相當好，如在考慮引力波帶走能量的情況之後，這類天體軌道的衰減過程完全符合愛因斯坦理論的計算結果。然而，從地球上直接探測引力波的信號儘管長期以來廣受科學界期待，但卻一直未能實現突破。之所以科學家們如此期待這項突破，是因為這將提供對於愛因斯坦廣義相對論新的，且更為直接的檢驗，並開啓人類研究宇宙的全新大門。科學家們希望他們能夠獲得更多的案例，從而能夠開展對黑洞合併頻率的研究，並幫助他們檢驗一些極端環境下物理理論的正確性，甚至可能引出更加深層的自然本質理論。

LIGO科學合作組發言人加布艾拉·岡薩雷斯女士表示：“我們的計劃並非僅僅是探測到首次引力波信號，也並非想要去證明愛因斯坦是正確的或是錯誤的，我們想要做的是創建一個天文台。”她説：“此時此刻，我們才可以説，LIGO的目標已經真正達成了。”

這張圖展示的是LIGO兩次確認探測結果以及一次疑似結果的日期，後者由於信號太過微弱而未能得到確認。這三次事件編號和具體日期為：GW150914 （Sept。 14， 2015）， LVT151012 （Oct。 12， 2015）以及GW151226 （Dec。 26， 2015）。所有三次事件都是在為期4個月的“先進LIGO”設施首次試運行階段探測到的

有關這項發現的論文已經在《物理評論快報》上發表，這是LIGO的第二次引力波探測事件。與此同時項目組此前還曾經遭遇到另外一次“疑似信號”，由於該信號太過微弱而無法確認。研究組已經在今年2月份的那次發佈會中介紹了有關情況。亞利桑那州立大學理論物理學家勞倫斯·克勞斯表示：“引力波探測將讓我們得以窺探宇宙的黑暗一面。引力波天文學將成為21世紀的天文學。”

此次LIGO探測到的引力波信號來自兩個互相繞轉並最終合併的黑洞。最上方演示的是這兩個黑洞的實際運行情況，下面分別展示LIGO探測器採集的到的引力波信號和頻率變化，可以看到頻率從最初的35Hz一路飆升到大約700Hz

兩次探測到的引力波信號有啥不一樣？質量更小的黑洞

此次新發現的引力波信號源自大約14億年前的一次黑洞合併事件，兩個參與合併事件的黑洞質量大約分別為14倍和8倍太陽質量，它們不斷相互繞轉並最終合併。信號顯示這兩個黑洞合併之後形成了一個質量約為21倍太陽質量的新黑洞，這就意味着在一瞬間有大約和一個太陽質量相當的能量被轉化為引力波的形式釋放了出去。

這是南半球天空示意圖，標出的位置是LIGO探測器在2015年12月26日探測到的引力波信號在天空中的大致來源方位。不同的顏色線條範圍代表可能性的高低：最外側紫色線條圈定的範圍代表大約90%置信度，內部黃色線圈定的範圍代表的則是10%置信度水平，可見誤差率還是相當大的

截止目前，LIGO探測器探測到的兩次引力波信號大致來源方位示意圖。同樣的，不同的顏色線條代表不同的置信度水平：最外側紫色線條圈定的範圍代表大約90%置信度，內部黃色線圈定的範圍代表的則是10%置信度水平

這一三維投影地圖展示的是LIGO全部三次引力波探測信號（包括兩次確鑿的引力波信號探測和一次疑似信號探測結果）的可能信號源位置。兩次確認的引力波信號分別是GW150914（綠色）和GW151226（藍色），圖中第三個區域代表的則是一個疑似信號（LVT151012，紅色）。圖中不同顏色線條區域代表不同的置信度水平：最外側線條代表大約90%置信度，最內側則代表大約10%置信水平

和LIGO的第一次探測相比（當時探測到的信號來自兩個大約30倍太陽質量的黑洞），此次探測到的信號頻率更高並且持續的時間也更長。在首次引力波探測信號中，科學家們只觀測到兩個黑洞碰撞合併之前的最後一圈或是兩圈繞轉過程，而此次科學家們一共追蹤到兩個黑洞合併之前的最後27圈相互繞轉。岡薩雷斯表示：“這將讓我們能夠更為精確地檢驗愛因斯坦的廣義相對論並對黑洞的各項參數做更加精確的估算。”

此次，研究組同樣有機會對參與合併黑洞的自旋情況進行觀測，結果顯示至少那個質量較大的成員黑洞存在自旋，速率約為黑洞自旋理論最大速率的20%左右。LIGO項目組成員，美國西北大學的維基·卡羅基拉表示：“如果光從首次引力波探測信號來看，參與合併的兩個黑洞似乎是不存在自旋的，那麼從這個角度來説，此次屬於新發現。”

關於LIGO 你瞭解多少？

當麻省理工學院和加州理工學院的科學家計劃用激光干涉的方法來尋找引力波時，很多研究者是極力反對的。反對者擔心這會讓大量資金打了水漂——建造這類探測器需要極大的投入，但可能什麼都找不到。然而，美國國家科學基金會（NSF）最終於1990年批准了激光干涉引力波天文台（LIGO）的建造，並在1992年確定了兩座探測器的選址：華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的利文斯頓。探測器的建設於1999年完工，並於2001年開始收集數據。然而，之後的9年內，LIGO什麼都沒有找到，而它也於2010年被關閉，等待升級重啓。

LIGO外觀

LIGO Laboratory

在2010年關閉並開始升級的LIGO最終於去年9月重啓。升級後的高級LIGO探測引力波的能力大大提升，並在剛剛開始運行的階段就找到了來自兩個正在併合的黑洞所產生的引力波，給一個世紀之久的引力波搜尋歷史畫上了圓滿的句號。

今天凌晨發佈會上宣佈探測到的引力波信號實際是在2015年12月26日被探測到的，當時距離去年9月14日首次探測到引力波信號僅僅才過去了3個月左右。LIGO利用兩台分別位於路易斯安那和華盛頓州的探測裝置捕捉到了穿過地球的時空漣漪。這兩台探測器都是巨大的L型結構，臂展有4公里長。科學家們讓激光在這些長臂內部的反射鏡上來回反射並精確測定來自兩個長臂的反射激光之間的干涉效應，從而測量長臂所出現的任何極其細微的空間變化。

在正常情況下，兩條長臂應該是完全等長的，因此激光束在兩條長臂中傳播所花費的時間是一樣的。然而一旦有引力波穿過探測器，在一個方向上的長臂長度就會被壓縮，而在另一個方向上的長臂則會被拉伸，從而導致兩束激光束傳播的時間長度出現差異， 當它們反射回來並匯合時，就會出現干涉條紋。

這樣的長度變化將是極其細微的——LIGO裝置必須能夠測出相當於一個質子直徑萬分之一不到的長度變化，才可能檢測到引力波信號。這台價值10億美元，經過技術改進之後的所謂“先進LIGO”實驗設施是此前較老版本的升級版。這一探測裝置的構想最早在上世紀1960年代便已經出現了，最初版本的LIGO裝置在2002年建成並投入使用。

今年2月份LIGO團隊發現引力波的消息瞬間引爆了整個學界，並引發全球媒體的極大關注，同時也為研究團隊贏得了科維理天體物理學獎、科學突破大獎以及其他很多重要的科學獎項。基於那次發現已經發表了數十篇科研論文，對首次引力波探測的方方面面進行了詳細的討論和分析，從信號探測中可能包含的黑洞與暗物質之間聯繫的信息，再到懷疑產生引力波信號的或許根本就不是黑洞，而是蟲洞等等。美國哥倫比亞大學的LIGO團隊成員薩布里克·瑪卡表示：“最有趣的工作是由LIGO項目組之外的科學家們完成的。”他説：“而這正是科學應有的方式。”

引力波天文學的黎明

“先進LIGO”設施目前還僅僅是在升級之後完成了其首次試運行，該次試運行時期從去年9月份開始，一直持續到今年1月份。其探測器目前已經處於停機升級狀態，預計將在今年7月份進行一次測試開機。如果一切順利，那麼第二次試運行預計將從今年夏末開始，持續大約6個月。與此同時，研究組的科學家們繼續對首次試運行期間積累的大量研究數據進行分析。除了黑洞合併產生的引力波信號之外，科學家們還希望未來能夠探測到中子星產生的引力波信號——後者是一類密度極高，體積很小的恆星殘骸，其中的質子和電子在 強大壓力下被擠壓到一起成為中子。

正在對LIGO設施進行技術升級工作的工程師

如果兩顆中子星相互合併，理論上它們也會產生引力波信號。美國喬治亞理工學院的物理學家，LIGO數據分析委員會主席勞拉·加多那提表示：“這不會像黑洞合併那樣是一類爆炸性的事件，它們產生的引力波會微弱的多。這將是一場長期的搜索，需要花費時間，目前我們仍在對此展開嘗試。”

隨着研究組獲得的數據越來越多，他們希望能夠加深對於雙黑洞系統成因的理解，或許最大的可能性是：它們原本就存在於一個雙星系統中，當兩顆恆星全都死亡之後，剩下的兩個黑洞就構成了雙黑洞系統。另一種理論則認為雙黑洞系統產生於密集的星團之中，當恆星死亡之後形成單個的黑洞，隨後在各自的引力作用下相互接近併成為雙黑洞系統。卡羅基拉表示：“這是我主要的興趣所在——我們能夠最終弄清楚雙黑洞系統究竟是如何形成的，這兩種理論究竟哪一種是對的？或者説這兩種機制都存在？”

隨着LIGO發現越來越多的引力波事件案例，科學家們也將擁有更多樣本，用於對愛因斯坦的廣義相對論中所包含的相關預言進行更加精確的檢驗。儘管絕大多數科學家相信廣義相對論肯定將能夠順利通過任何檢測——畢竟此前已經有那麼多的檢驗都證明了它的正確性，但是科學家們還是非常希望能夠發現與理論預言的任何偏離，因為這可能就意味着發現更深層次科學原理的機會，這或許將能夠幫助科學家們最終實現引力與量子力學之間的統一。加多那提表示：“到目前為止我們還尚未發現任何與廣義相對論不符的情況。但如果我們開始觀測到任何不吻合，我們或許就將迎來超越廣義相對論的嶄新時代。”

不管如何，科學家們還是希望LIGO已經取得的這兩次發現將只不過是一個長期和高產科學實驗設施的“小試身手”。正如瑪卡所説的那樣：“為這個項目，科學家們已經奮鬥了三代人，未來還將至少有三代科學家繼續開展這項工作。我們正身處在這中間位置，真是美妙極了！”

最後要提一句，除了意大利和法國的VIRGO，日本的KAGRA，還有計劃在印度修建的第三個LIGO探測器外，中國也提出了空間太極計劃 探測中低頻波段引力波和中山大學發起的天琴計劃探測引力波，越來越多的國家和科學家正在共同參與到引力波的研究中來。