LIGO探測到雙黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波,打開了一扇觀察宇宙的新窗口（示意圖）。圖片來源：LIGO新聞發(fā)布會直播截圖

文 | LIGO科學(xué)合作組織

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有史以來,科學(xué)家第一次觀測到了時空中的漣漪——引力波,這一來自遙遠(yuǎn)宇宙的災(zāi)變性事件所產(chǎn)生的信號。這一探測證實了阿爾伯特·愛因斯坦在1915年的廣義相對論的一個重要預(yù)言,并打開了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口。

起源于劇烈天體物理過程的引力波攜帶著關(guān)于其源頭和關(guān)于引力的獨一無二的信息。物理學(xué)家們確信他們探測到了來自兩個黑洞最后并合瞬間的引力波。這兩個黑洞最終形成了一個質(zhì)量更大快速旋轉(zhuǎn)的黑洞。這一現(xiàn)象長久以來就被理論預(yù)言,然而卻從未被觀測到。

這一引力波信號于世界協(xié)調(diào)時間2015年9月14日9:51(北京時間當(dāng)天下午5:51分),由分別位于路易斯安那州列文斯頓(Livingston,Louisiana)和華盛頓州漢福德(Hanford,Washington)的激光干涉引力波觀測臺(LIGO)的一對探測器探測到。

LIGO天文臺是由美國國家科學(xué)基金資助,由加州理工和麻省理工構(gòu)思、建造并運行的。這一發(fā)現(xiàn)是由LIGO科學(xué)合作組織(包含GEO600組織和澳大利亞干涉引力天文協(xié)會)以及Virgo組織使用來自兩臺LIGO探測器的數(shù)據(jù)后做出的。本次發(fā)現(xiàn)發(fā)表于物理評論快訊(Physical Review Letters)期刊。

基于觀測到的信號,LIGO的科學(xué)家們估算出兩個并合黑洞的質(zhì)量大約分別是太陽質(zhì)量的29和36倍,并合發(fā)生于13億年前。大約三倍于太陽質(zhì)量的物質(zhì)在短短一秒之內(nèi)被轉(zhuǎn)化成引力波,其功率峰值是整個可見宇宙總功率的50倍。這一引力波首先到達(dá)Livingston探測器,7毫秒之后到達(dá)Hanford探測器,這意味著引力波源位于南半球天區(qū)。

根據(jù)廣義相對論,一對黑洞在相互繞轉(zhuǎn)過程中通過引力波輻射而損失能量,逐漸靠近。這一過程持續(xù)數(shù)十億年,在最后幾分鐘里面快速演化。在最后一秒鐘內(nèi),兩個黑洞以幾乎是一半光速的超高速度碰撞在一起,并形成了一個質(zhì)量更大的黑洞。根據(jù)愛因斯坦的E=mc2公式,這個過程中一部分的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了能量,而這些能量在最后時刻以引力波超強(qiáng)爆發(fā)的形式輻射出去。LIGO觀測到的引力波信號就是這樣來的。

20世紀(jì)70年代,羅素赫爾斯和約瑟夫泰勒給出了引力波存在的第一個證據(jù)。他們在1974年觀測到一個脈沖星與另一個天體相互繞轉(zhuǎn)組成的雙星系統(tǒng),后來發(fā)現(xiàn)第二個天體是一個中子星。這個系統(tǒng)由于輻射引力波,導(dǎo)致脈沖星的軌道緩慢地縮小,觀測到的軌道變化率與相對論的預(yù)言高度一致。赫爾斯和泰勒的這項工作獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎。這個赫爾斯-泰勒雙星系統(tǒng)將于3億年之后并合形成一個黑洞。在最近的這個發(fā)現(xiàn)里,LIGO直接見證了兩個黑洞組成的雙星系統(tǒng)的壽終正寢,在雙星系統(tǒng)形成單個黑洞的瞬間投下匆匆一瞥。

“我們對于引力波的觀測完成了一項50年前就設(shè)定的偉大目標(biāo)。那就是直接探測到這一難以捕捉的現(xiàn)象,更好地理解宇宙,以及愛因斯坦廣義相對論100周年之際恰如其分地續(xù)寫愛因斯坦的傳奇。”加州理性學(xué)院的戴維·萊茲David H.Reitze,LIGO天文臺的執(zhí)行官,如是說。

這一發(fā)現(xiàn)得益于高新激光干涉儀引力波天文臺(Advanced LIGO)探測能力的大大提升。相比于第一代LIGO探測器,Advanced LIGO的重要升級工作使得儀器的靈敏度大大增強(qiáng),從而大大增加了可探測的宇宙空間,也直接導(dǎo)致在其第一次觀測運行中發(fā)現(xiàn)引力波。美國國家科學(xué)基金會主導(dǎo)了高新激光干涉的財政支持。德國的馬克斯-普朗克學(xué)會,英國的科學(xué)與技術(shù)設(shè)施委員會和澳大利亞的澳大利亞研究基金會等資助機(jī)構(gòu)均對本項目作出了巨大貢獻(xiàn)。使高新探測器林敏度大大提高的幾項關(guān)鍵技術(shù)由德國-英國的GEO合作組織開發(fā)并測試。主要的計算機(jī)資源由AEI的Atlas機(jī)群,LIGO實驗室,雪城大學(xué)和威斯康星大學(xué)密爾沃基分校貢獻(xiàn)。一些大學(xué)設(shè)計、建造并測試了Advanced LIGO的關(guān)鍵部分:澳大利亞國立大學(xué),弗羅里達(dá)大學(xué),斯坦福大學(xué),紐約哥倫比亞大學(xué)和路易斯安那州立大學(xué)。

“1992年批準(zhǔn)LIGO最初的基金項目是NSF有史以來最大的一筆投資”France Córdova,NSF主任如是說?！澳鞘且豁椨泻芨唢L(fēng)險的資助,但這正是NSF需要承擔(dān)的項目。我們資助一定會有所發(fā)現(xiàn),但是還在探索歷程上基礎(chǔ)科學(xué)和工程。我們資助開路先鋒。這就是為什么美國依然是全球先進(jìn)知識的領(lǐng)導(dǎo)者的原因?！?/p>

LIGO的研究工作由LIGO科學(xué)合作組織(LSC)完成,這一合作組織包含來自美國和其他14各國家的1000多名科學(xué)家。LSC中的90多所大學(xué)和研究所參與研發(fā)了探測器所使用的技術(shù),并分析其產(chǎn)生的數(shù)據(jù);在組織中,有約250名做出重要貢獻(xiàn)的成員是學(xué)生。LSC探測網(wǎng)絡(luò)包括LIGO干涉儀和GEO600干涉儀。GEO團(tuán)隊包括來自德國馬克斯-普朗克引力物理研究所(阿爾伯特·愛因斯坦研究所(AEI)),漢諾威萊布尼茲大學(xué)與格拉斯哥大學(xué),加迪夫大學(xué),伯明翰大學(xué),其他英國的大學(xué)以及西班牙的巴利阿里群島大學(xué)。

“這項探測是一個新紀(jì)元的起點:引力波天文學(xué)研究領(lǐng)域現(xiàn)在終于不再是紙上談兵了”,LSC發(fā)言人,路易斯安那州立大學(xué)物理與天文學(xué)教授Gabriela González如是說。

LIGO這種用激光干涉探測引力波的方法最初是在上世紀(jì)80年代提出的,主要的提出人有MIT物理教授、榮休教授雷納·韋斯(Rainer Weiss),加州理工的理查德·費曼理論物理講座教授、榮休教授基普·索恩(Kip Thorne)以及同樣來自加州理工的物理教授、榮休教授羅納德·德雷弗(Ronald Drever)。

“這項發(fā)現(xiàn)的內(nèi)容完美地被100年前愛因斯坦發(fā)表的廣義相對論所描述,這也是第一次廣義相對論在強(qiáng)引力條件下的檢驗。如若愛因斯坦泉下有知,真不知道他會有什么反應(yīng)”,韋斯說。

“通過這項發(fā)現(xiàn),我們?nèi)祟愰_啟了一場波瀾壯闊的新征程:一場對于探索宇宙那彎曲的一面——通過彎曲時空而產(chǎn)生的事物和現(xiàn)象——的征程。黑洞的碰撞和引力波是首當(dāng)其沖的完美范例”索恩說。

室女座引力波探測器(Virgo)的研究工作由Virgo科學(xué)合作組織完成,這一組織包含250多名物理學(xué)家和工程師,分別隸屬于18個不同的歐洲的實驗室,包括法國國家科學(xué)研究中心(CNRS)的6家研究所、意大利國立天體物理研究所(INFN)的8家研究所、荷蘭國家核物理及高能物理研究所、匈牙利維格納研究所,波蘭引力研究組和安置室女座引力波探測器的歐洲引力天文臺。

Virgo的發(fā)言官富爾維奧·里奇(Fulvio Ricci)稱:“這是物理學(xué)的重要里程碑,但更為重要的是,對于LIGO和Virgo來說,這僅僅是它們將開創(chuàng)的全新而令人激動的物理發(fā)現(xiàn)的開端。”

馬克斯-普朗克引力物理研究所(阿爾伯特·愛伊斯坦研究所)的所長布魯斯·艾倫(Bruce Allen)補充道“愛因斯坦當(dāng)初認(rèn)為引力波太過微弱而無法探測,并且他從未相信過黑洞的存在。不過,我想他并不介意自己在這些問題上弄錯了。”

“Advanced LIGO探測器是科學(xué)與技術(shù)上的一項壯舉,匯聚了全球技師、工程師和科學(xué)家團(tuán)隊的通力合作才得以實現(xiàn),”Advanced LIGO的項目領(lǐng)頭人,來自麻省理工的戴維·休梅克說道,“我們及時、同時也在預(yù)算內(nèi)完成了這項美國國家科學(xué)基金會資助的項目,對此我們感到無比自豪?！?/p>

LIGO位于華盛頓Hanford的觀測點。圖片來源：Caltech/MIT/LIGO Laboratory

在LIGO的兩個天文臺中,全長4公里的L形的LIGO干涉儀將激光分成兩束,并在兩個干涉臂之間來回穿梭(1.2米直徑的管道內(nèi)保持著近乎完美的真空)。兩束激光可以用來以極高的精度測量干涉臂盡頭處鏡子的位置。根據(jù)愛因斯坦的理論,當(dāng)引力波經(jīng)過探測器的時候,鏡子之間的距離將會有一個極微小的改變。而即使這個改變量小至質(zhì)子直徑的萬分之一(10-19米),也可以被探測出來。

“要實現(xiàn)這一里程碑式的美妙發(fā)現(xiàn),需要全球的科學(xué)家們一起合作——在GEO600探測器上開發(fā)出來的激光與懸掛減震技術(shù)使得Advanced LIGO成為了有史以來人類建造的最為精妙、靈敏的引力波探測器?！备窭垢绱髮W(xué)物理與天文教授希拉·羅恩(Sheila Rowan)如是說。

獨立而又相距極遠(yuǎn)的天文臺,對于引力波事件的方向定位,以及排除局部噪音、確認(rèn)信號來自空間而言,非常重要。

“但愿這第一次的觀測能夠推動全球引力波探測器網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)工作,并在多信使天文學(xué)的時代里加速實現(xiàn)源的定位,”澳大利亞國立大學(xué)的引力物理中心主任,物理學(xué)教授戴維·麥克萊蘭(David McClelland)評論道。

（責(zé)任編輯 陳曉雪）

出品 | 科普中國

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