人類再次直接探測到雙黑洞合并的引力波

近日，LIGO科學合作組織在美國天文學會第 228 次會議舉行的新聞發布會上宣布，他們又確認了兩顆黑洞合并的引力波事件。

這股引力波掃過地球的時間是2015年12月26日，被美國“激光干涉引力波天文臺”（LIGO）的兩臺孿生引力波探測器探測到，因此被命名為GW151226 【Gravitational Wave 2015-12-26】。經過嚴謹的數據分析，最終才確認這又是一個引力波事件。

兩次引力波事件的波源所在天球中的可能區域

這次探測到的引力波也是由兩顆黑洞在合并的最后階段產生的，距離地球14億光年。兩顆黑洞的初始質量分別為14.2顆太陽和7.5顆太陽，合并成了一顆20.8倍太陽質量高速旋轉的黑洞，虧損的0.9顆太陽質量以強大引力波的形式釋放到宇宙空間，經過14億年的漫長旅行，終于抵達了地球，被美國的“激光干涉引力波天文臺”（LIGO）的兩臺孿生引力波探測器在圣誕節期間探測到。

什么是引力波？

如同石頭丟進水里產生波紋一樣，引力波被視為時空中的漣漪。副本

在物理學上，引力波是愛因斯坦1916年根據廣義相對論所預言的一種以光速傳播的時空波動，如同石頭丟進水里產生的波紋一樣，引力波被視為宇宙中的“時空漣漪”。

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

1974年物理學家泰勒（Joseph Hooton Taylor）和赫爾斯（Russell Alan Hulse）發現了一個脈沖星雙星系統，后續的觀測表明，該系統由于引力波輻射阻尼造成的軌道周期變化符合廣義相對論的理論預測，從而首次間接驗證了引力波的存在，榮獲1993年諾貝爾物理學獎。

黑洞合并釋放的能量要借助質能方程求解

物理學家根據探測到的引力波波形并結合計算機數值模擬推斷，兩顆黑洞的初始質量分別為14.2顆太陽和7.5顆太陽，合并成了一顆20.8倍太陽質量的高速旋轉大黑洞。看到這里發現哪里不對勁了嗎？通常來講，14.2顆太陽質量的黑洞加7.5顆太陽質量的黑洞應該等于21.7顆太陽質量才對，另外0.9顆太陽質量去哪里了呢？

愛因斯坦著名的質能方程

這里要用到愛因斯坦最著名的方程式E=MC^2來解釋了。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出的洶涌引力波。0.9顆太陽質量以引力波的形式發出去了！

即使如此巨大的功率，經過14億光年漫長的旅途之后，洶涌的時空海嘯已經變為輕撫地球的漣漪，振幅僅10^-22米（比上次引力波事件的振幅還小一個數量級），也就是說4千米長的LIGO激光干涉臂僅伸縮10^-19米（原子核尺度的萬分之一）。

共振型引力波探測器

上世紀60年代，馬里蘭大學的物理學家韋伯（Joseph Weber）首先提出了一種共振型引力波探測器。1968年，韋伯宣稱他探測到了引力波，立刻引起了學界的轟動，但是后來的重復實驗都一無所獲。

激光干涉探測引力波的原理

兩架孿生引力波探測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

美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）由兩座孿生的探測器組成，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，只有當兩個探測器檢測到相同的信號才有可能是引力波。

LIGO的主要部分是兩個互相垂直的干涉臂，臂長均為4000米。在兩臂交會處，從激光光源發出的光束被一分為二，分別進入互相垂直并保持超真空狀態的兩空心圓柱體內，然后被終端的鏡面反射回原出發點，并在那里發生干涉。

若有引力波通過，便會引起時空變形，一臂的長度會略為變長而另一臂的長度則略為縮短，這樣就會造成光程差發生變化，因此激光干涉條紋就會發生相應的變化。

激光干涉儀工作原理示意圖

激光干涉儀工作原理示意圖：沒有引力波經過時，兩束激光干涉相消，沒有信號輸出；當有引力波經過時，干涉儀臂的長度就會發生交替改變，從而檢測到振蕩信號。

LIGO的時間簡史

1967年，麻省理工學院的實驗物理學家萊納?魏斯（Rainer Weiss）開始建造激光干涉儀的原型設備，但最后沒能成功運行。

1968年，加州理工學院的理論物理學家基普?索恩（Kip Thorne）開始對引力波進行論證研究，研究表明引力波的探測是絕對可行的，這為后續引力波實驗增加了信心。

1991年，麻省理工學院與加州理工學院在美國國家科學基金會（NSF）的資助下，開始聯合建設“激光干涉引力波天文臺”（LIGO）。

1999年，LIGO初步建成，2002年開始運行。

2007年，LIGO進行了一次升級改造，包括采用更高功率的激光器、進一步減少振動等。升級后的LIGO被稱為“增強LIGO”。

2009年7月，增強LIGO開始運行。

2010年，增強LIGO停機，進行了為期五年的重大升級改造，被稱為“先進LIGO”。

2015年9月14日，尚處于工程模式（engineering mode）階段的“先進LIGO”就探測到了疑似雙黑洞合并的引力波信號。經過數月的數據分析研究，排除了各種可能的其它原因， LIGO聯盟于2016年2月11日向世界宣布：人類首次直接探測到了引力波。

2015年9月18日，“先進LIGO”宣布正式運行，靈敏度提高了4倍，也就是說探測距離增加了原來的4倍，探測的空間體積增加了64倍。

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

分布在世界各地的引力波探測器

分布在世界各地的已建和計劃中的引力波探測器

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