[科研前沿]人類首次直接探測到了引力波
國當?shù)貢r間2月11日上午10點30分（北京時間2月11日23點30分），美國國家科學(xué)基金會（NSF）召集了來自加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院以及LIGO科學(xué)合作組織的科學(xué)家在華盛頓特區(qū)國家媒體中心宣布：人類首次直接探測到了引力波！
科學(xué)家為直接探測到引力波的消息歡呼（從左到右分別為：Gabriela Gonzalez, Rainer Weiss和Kip Thorne）
這次探測到的引力波是由13億光年之外的兩顆黑洞在合并的最后階段產(chǎn)生的。兩顆黑洞的初始質(zhì)量分別為29顆太陽和36顆太陽，合并成了一顆62倍太陽質(zhì)量高速旋轉(zhuǎn)的黑洞，虧損的質(zhì)量以強大引力波的形式釋放到宇宙空間，經(jīng)過13億年的漫長旅行，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探測到。
兩臺探測器記錄到的波形
探測到的引力波信號初始頻率為35赫茲，接著迅速提升到了250赫茲，最后變得無序而消失，整個過程持續(xù)了僅四分之一秒。位于利文斯頓的探測器比位于漢福德的探測器早探測到7毫秒，這個時間差表明引力波是從南部天區(qū)傳來。
什么是引力波？
在物理學(xué)上，引力波是愛因斯坦廣義相對論所預(yù)言的一種以光速傳播的時空波動，如同石頭丟進水里產(chǎn)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(chǎn)生非常困難，地球圍繞太陽以每秒30千米的速度前進，發(fā)出的引力波功率僅為200瓦，還不如家用電飯煲功率大。宇宙中大質(zhì)量天體的加速、碰撞和合并等事件才可以形成強大的引力波，但能產(chǎn)生這種較強引力波的波源距離地球都十分遙遠，傳播到地球時變得非常微弱。
根據(jù)廣義相對論，該雙星系統(tǒng)會以引力波的形式損失能量，軌道周期每年縮短76.5微秒
1974年物理學(xué)家約瑟夫·泰勒（Joseph Hooton Taylor, Jr）和拉塞爾·赫爾斯（Russell Alan Hulse）發(fā)現(xiàn)了一顆編號為PSR B1913+16的脈沖星，他們發(fā)現(xiàn)該脈沖星處于雙星系統(tǒng)中，其伴星也是一顆中子星。根據(jù)廣義相對論，該雙星系統(tǒng)會以引力波的形式損失能量，軌道周期每年縮短76.5微秒，軌道半長軸每年減少3.5米，預(yù)計大約經(jīng)過3億年后發(fā)生合并。
自1974年，泰勒和赫爾斯和對這個雙星系統(tǒng)的軌道進行了長時間的觀測，觀測值和廣義相對論預(yù)言的數(shù)值符合得非常好，這間接證明了引力波的存在。泰勒和赫爾斯也因這項工作于1993年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。
共振型引力波探測器
韋伯教授在調(diào)試他的引力波探測器（1965年）
上世紀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器。該探測器由多層鋁筒構(gòu)成，直徑1米，長2米，質(zhì)量約1000千克，用細絲懸掛起來。當引力波經(jīng)過圓柱時，圓柱會發(fā)生共振，進而可以通過安裝在圓柱周圍的壓電傳感器檢測到。韋伯曾經(jīng)在相距1000千米的兩個地方同時放置了相同的探測器，只有兩個探測器同時檢測到相同的信號才被記錄下來。1968年，韋伯宣稱他探測到了引力波，立刻引起了學(xué)界的轟動，但是后來的重復(fù)實驗都一無所獲。
激光干涉引力波探測器
兩臺孿生引力波探測器分別在華盛頓州的漢福德（左）和路易斯安那州的列文斯頓，彼此相距3000公里
上世紀70年代，加州理工學(xué)院的物理學(xué)家萊納·魏斯（Rainer Weiss）等人意識到用激光干涉方法探測引力波的可能性。引力波的探測對儀器的靈敏度要求非常高，要能夠在1000米的距離上感知10^-18米的變化，相當于質(zhì)子直徑的千分之一。直到上世紀90年代，如此高靈敏度所需的技術(shù)條件才逐漸趨于成熟。
1991年，麻省理工學(xué)院與加州理工學(xué)院在美國國家科學(xué)基金會（NSF）的資助下，開始聯(lián)合建設(shè)“激光干涉引力波天文臺”（LIGO）。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(fā)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(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，并在那里發(fā)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(fā)生變化，因此激光干涉條紋就會發(fā)生相應(yīng)的變化。
兩臺孿生引力波探測器分別在華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的列文斯頓，彼此相距3000千米。只有當兩個探測器同時檢測到相同的信號才有可能是引力波。LIGO于1999年初步建成，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開始運行直到2010年10月結(jié)束。
在2002年到2010年期間，LIGO沒能探測到引力波存在的可靠證據(jù)。
位于漢福德地區(qū)的LIGO觀測站的北臂
2010年，LIGO進行了為期五年的重大升級改造，改造之后的探測器靈敏度要求提高10倍，被稱為“先進LIGO”。2015年9月18日，先進LIGO開始試運行。據(jù)悉，本次探測到的引力波是升級前的LIGO于2015年9月14日探測到的信號。
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(nèi)，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LCGT、澳大利亞計劃中的AIGO以及印度計劃中的LIGO-India。
PTA、LISA（eLISA）與LIGO（aLIGO）三種方式分別探測不同頻率的引力波，構(gòu)成互補關(guān)系。
地基探測器探測引力波的頻率范圍是1赫茲~10^4赫茲。除了地基引力波探測器之外，科學(xué)家也在積極籌備“激光干涉太空引力波天線”（LISA/ eLISA）。理論上，eLISA探測引力波頻率范圍為10^-5赫茲~1赫茲。
值得一提的是，科學(xué)家也在利用一種叫“脈沖星計時陣列”（PTA）的射電天文方法探測更低頻率（納赫茲）的引力波。PTA與eLISA、LIGO在探測頻率上形成互補關(guān)系。
引力波探測的意義？
引力波天文學(xué)將是繼傳統(tǒng)電磁波天文學(xué)、宇宙線天文學(xué)和中微子天文學(xué)之后，人類認識宇宙的全新窗口，必將引發(fā)一場天文學(xué)的革命。
引力波探測除了能夠檢驗廣義相對論之外，還有助于證明其它版本的引力理論正確與否，還將推動引力量子化的研究，最終把引力融入其它三種基本相互作用，完成愛因斯坦的偉大夢想。
引力波像其它的波一樣，攜帶著能量和信息。電磁波（宇宙背景微波輻射）只能讓我們看到大爆炸38萬年之后的景象，而引力波能夠讓我們回望宇宙大爆炸最初瞬間，檢驗宇宙大爆炸理論的正確與否。
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