人类再次直接探测到双黑洞合并的引力波

人类再次直接探测到双黑洞合并的引力波

近日，LIGO科学合作组织在美国天文学会第 228 次会议举行的新闻发布会上宣布，他们又确认了两颗黑洞合并的引力波事件。

这股引力波扫过地球的时间是2015年12月26日，被美国“激光干涉引力波天文台”（LIGO）的两台孪生引力波探测器探测到，因此被命名为GW151226 【Gravitational Wave 2015-12-26】。经过严谨的数据分析，最终才确认这又是一个引力波事件。

两次引力波事件的波源所在天球中的可能区域

这次探测到的引力波也是由两颗黑洞在合并的最后阶段产生的，距离地球14亿光年。两颗黑洞的初始质量分别为14.2颗太阳和7.5颗太阳，合并成了一颗20.8倍太阳质量高速旋转的黑洞，亏损的0.9颗太阳质量以强大引力波的形式释放到宇宙空间，经过14亿年的漫长旅行，终于抵达了地球，被美国的“激光干涉引力波天文台”（LIGO）的两台孪生引力波探测器在圣诞节期间探测到。

什么是引力波？

如同石头丢进水里产生波纹一样，引力波被视为时空中的涟漪。副本

在物理学上，引力波是爱因斯坦1916年根据广义相对论所预言的一种以光速传播的时空波动，如同石头丢进水里产生的波纹一样，引力波被视为宇宙中的“时空涟漪”。

通常引力波的产生非常困难，地球围绕太阳以每秒30千米的速度前进，发出的引力波功率仅为200瓦，还不如家用电饭煲功率大。

1974年物理学家泰勒（Joseph Hooton Taylor）和赫尔斯（Russell Alan Hulse）发现了一个脉冲星双星系统，后续的观测表明，该系统由于引力波辐射阻尼造成的轨道周期变化符合广义相对论的理论预测，从而首次间接验证了引力波的存在，荣获1993年诺贝尔物理学奖。

黑洞合并释放的能量要借助质能方程求解

物理学家根据探测到的引力波波形并结合计算机数值模拟推断，两颗黑洞的初始质量分别为14.2颗太阳和7.5颗太阳，合并成了一颗20.8倍太阳质量的高速旋转大黑洞。看到这里发现哪里不对劲了吗？通常来讲，14.2颗太阳质量的黑洞加7.5颗太阳质量的黑洞应该等于21.7颗太阳质量才对，另外0.9颗太阳质量去哪里了呢？

爱因斯坦著名的质能方程

这里要用到爱因斯坦最著名的方程式E=MC^2来解释了。该方程不仅能解释原子核放出巨大的能量，还能解释这次黑洞碰撞发出的汹涌引力波。0.9颗太阳质量以引力波的形式发出去了！

即使如此巨大的功率，经过14亿光年漫长的旅途之后，汹涌的时空海啸已经变为轻抚地球的涟漪，振幅仅10^-22米（比上次引力波事件的振幅还小一个数量级），也就是说4千米长的LIGO激光干涉臂仅伸缩10^-19米（原子核尺度的万分之一）。

共振型引力波探测器

上世纪60年代，马里兰大学的物理学家韦伯（Joseph Weber）首先提出了一种共振型引力波探测器。1968年，韦伯宣称他探测到了引力波，立刻引起了学界的轰动，但是后来的重复实验都一无所获。

激光干涉探测引力波的原理

两架孪生引力波探测器分别在华盛顿州的汉福德（左）和路易斯安那州的利文斯顿，彼此相距3000公里

美国激光干涉引力波天文台（LIGO）由两座孪生的探测器组成，分别位于华盛顿州的汉福德和路易斯安那州的利文斯顿，彼此相距3000千米，只有当两个探测器检测到相同的信号才有可能是引力波。

LIGO的主要部分是两个互相垂直的干涉臂，臂长均为4000米。在两臂交会处，从激光光源发出的光束被一分为二，分别进入互相垂直并保持超真空状态的两空心圆柱体内，然后被终端的镜面反射回原出发点，并在那里发生干涉。

若有引力波通过，便会引起时空变形，一臂的长度会略为变长而另一臂的长度则略为缩短，这样就会造成光程差发生变化，因此激光干涉条纹就会发生相应的变化。

激光干涉仪工作原理示意图

激光干涉仪工作原理示意图：没有引力波经过时，两束激光干涉相消，没有信号输出；当有引力波经过时，干涉仪臂的长度就会发生交替改变，从而检测到振荡信号。

LIGO的时间简史

1967年，麻省理工学院的实验物理学家莱纳・魏斯（Rainer Weiss）开始建造激光干涉仪的原型设备，但最后没能成功运行。

1968年，加州理工学院的理论物理学家基普・索恩（Kip Thorne）开始对引力波进行论证研究，研究表明引力波的探测是绝对可行的，这为后续引力波实验增加了信心。

1991年，麻省理工学院与加州理工学院在美国国家科学基金会（NSF）的资助下，开始联合建设“激光干涉引力波天文台”（LIGO）。

1999年，LIGO初步建成，2002年开始运行。

2007年，LIGO进行了一次升级改造，包括采用更高功率的激光器、进一步减少振动等。升级后的LIGO被称为“增强LIGO”。

2009年7月，增强LIGO开始运行。

2010年，增强LIGO停机，进行了为期五年的重大升级改造，被称为“先进LIGO”。

2015年9月14日，尚处于工程模式（engineering mode）阶段的“先进LIGO”就探测到了疑似双黑洞合并的引力波信号。经过数月的数据分析研究，排除了各种可能的其它原因， LIGO联盟于2016年2月11日向世界宣布：人类首次直接探测到了引力波。

2015年9月18日，“先进LIGO”宣布正式运行，灵敏度提高了4倍，也就是说探测距离增加了原来的4倍，探测的空间体积增加了64倍。

2015年12月26日，“先进LIGO”又探测到了两颗黑洞合并的引力波事件。LIGO联盟于2016年6月16日向世界宣布：人类又探测到一起黑洞合并引发的引力波事件。

分布在世界各地的引力波探测器

分布在世界各地的已建和计划中的引力波探测器

目前主流的引力波探测器都是这种基于迈克耳孙干涉仪的原理。世界范围内，除了美国的LIGO引力波探测器之外，还有德国和英国合作的GEO600、法国和意大利合作的VIRGO、日本的TAMA300以及计划中的KAGRA（原LCGT）、澳大利亚计划中的AIGO以及印度计划中的LIGO-India。