喬若靜/編譯

尋找引力波：鮮為人知的幕后故事

喬若靜/編譯

100年前愛因斯坦曾預(yù)測時空漣漪的存在

十幾億年前，數(shù)以百萬計星系之外的一對黑洞發(fā)生了碰撞，在漫長的歲月里，它們彼此環(huán)繞盤旋了億萬年，在每一次旋轉(zhuǎn)中越轉(zhuǎn)越快，不斷地拉近它們之間的距離，直到相相隔幾百英里速度接近光速時，釋放出令整個宇宙顫栗的巨大的引力波能量。在這一瞬間，時空變得扭曲起來，就像一鍋沸騰的水，兩個黑洞也在這瞬間合并為一，發(fā)射出比宇宙所有恒星的能量加起來還強一百倍以上的巨大能量。最終形成了一個新的黑洞，新黑洞的質(zhì)量是我們?nèi)缃裉柕?2倍，大小相當(dāng)于美國緬因州的面積。這個新黑洞漸漸伸展成一個稍顯扁平的球體形狀，最后幾下震顫產(chǎn)生的能量逃離出去，然后時空再次歸于沉寂。

引力波漣漪如波浪般從各個方向向外傳播，在前進的路上漸漸變?nèi)?。在地球上，恐龍出現(xiàn)，進化，并最終滅絕。引力波繼續(xù)前進。在大約五萬年前，就在智人開始取代其近親尼安德特人，成為地球上的優(yōu)勢物種的時候，引力波開始進入我們的銀河系。

觀測到引力波：愛因斯坦預(yù)言成真

一百年前，阿爾伯特·愛因斯坦，人類這個優(yōu)勢物種中的天才成員之一，預(yù)言了引力波的存在，激勵了科學(xué)家們在幾十年時間里在宇宙太空中徒勞無果的搜尋。22年前，地球上建立了一個巨大的引力波探測器：激光干涉引力波探測器（LIGO）。2015年9月14日，歐洲中部時間上午將近11點時，引力波到達地球。33歲的意大利博士后、LIGO科研合作組織的成員之一馬可·德拉戈（Marco Drago）成為最早發(fā)現(xiàn)引力波的人。當(dāng)時他正在德國馬克斯·普郎克引力物理學(xué)研究所的電腦前，遠(yuǎn)程觀察LIGO數(shù)據(jù)。引力波出現(xiàn)在他的屏幕上，就像被壓縮了的曲線，可傾聽一英寸的千億分之一振動的LIGO裝置，聽到了從低到高然后很快消失的輕微聲音——來自遙遠(yuǎn)宇宙黑洞的聲音。2016年2月11日，在華盛頓特區(qū)的一次新聞發(fā)布會上，LIGO團隊宣布地球上首次觀測到引力波信號。

當(dāng)?shù)吕昕吹狡聊簧系囊Σㄐ盘枙r驚呆了，一時之間有些不知所措。他的一位同事給LIGO設(shè)備控制室打了電話，消息很快在參與該項目的幾千科學(xué)家中間傳了開來。在加州，LIGO實驗室執(zhí)行主任戴維·賴茨（David Reitze）送女兒上學(xué)后，立即趕往他在加州理工學(xué)院的辦公室，在那里又接到了接二連三的消息?！拔也挥浀卯?dāng)時我說了些什么。”他回憶道，“當(dāng)時的想法是‘天啊，這是什么？’”西北大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)教授維琪·卡洛格拉（VickyKalogera）開了一整天的會，直到晚餐時才聽到這個消息?！罢煞蚪形忆伈妥啦紲?zhǔn)備吃飯?！彼f?！拔揖拖裢耆珱]聽到似的，全神貫注地瀏覽著一大堆不同尋常的電子郵件，想知道這到底是怎么回事?！?972年首次提出構(gòu)建LIGO的83歲的物理學(xué)家雷納·韋斯（Rainer Weiss）當(dāng)時正在美國緬因州度假。登錄系統(tǒng)看到信號后，不由大聲喊道：“我的上帝！”聲音驚動了他的妻子和成年的兒子紛紛向他跑過來。

項目研究人員開始了繁重的驗證工作，兩遍、三遍甚至四遍核查確認(rèn)數(shù)據(jù)。測量數(shù)據(jù)告訴我們10多億年前兩個黑洞合并的故事?！斑@是一個非比尋常的消息宣布，需要非比尋常的證據(jù)。”雷特茲說道。與此同時，LIGO的科學(xué)家們被要求宣誓對這個消息保密。但從9月底下旬開始，各種流言飛傳，并成為媒體競相報道的熱門話題，甚至有了與諾獎相關(guān)的傳言。但LIGO項目合作者對于種種詢問只給予了簡略的回應(yīng)，稱相關(guān)數(shù)據(jù)仍在分析之中，卡洛吉拉甚至對她的丈夫都沒說。

LIGO觀測站由兩個設(shè)施構(gòu)成，相距近1 900英里，相當(dāng)于噴氣客氣飛行三個半小時的距離，但這段距離引力波只需要1秒鐘的萬分之一時間就能抵達。路易斯安那州利文斯頓的探測器位于巴吞魯日東部的濕地，周圍是一片商業(yè)松樹林；另一個探測器設(shè)在華盛頓漢福德（美國核污染最嚴(yán)重的西南邊緣地區(qū)），被安置在長滿艾草、風(fēng)滾草和一些廢棄的核反應(yīng)堆的中間。每一處設(shè)施都有一對12英尺高呈直角的混凝土管道，一直向遠(yuǎn)方延伸開去，從上方看去很像木工用的直角尺。管道長達2.5英里，由于地球曲率的緣故，管道兩端都必須高出地面1碼，以保持水平。

LIGO科學(xué)合作項目是探索愛因斯坦廣義相對論更深涵義的組成部分。廣義相對論理論，簡單地說，是指質(zhì)量導(dǎo)致的空間與時間的彎曲，而時空彎曲產(chǎn)生的效應(yīng)就是我們所稱的引力。當(dāng)兩個黑洞互相環(huán)繞旋轉(zhuǎn)時，不斷地拉伸和擠壓周圍的時空，就像孩子在蹦床上繞著圈兒奔跑產(chǎn)生的向床邊擴散的振動一樣，這些振動就是引力波。引力波從波源出發(fā)，穿越整個宇宙時空，但由于引力波遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于其他基本的自然力，例如，電磁力，或?qū)⒁粋€原子結(jié)合在一起的相互作用力等，因此我們感知不到引力波的存在。愛因斯坦認(rèn)為很可能它們永遠(yuǎn)不會被檢測到，他甚至兩次宣布引力波不存在，推翻了自己之前的預(yù)測。還有人指出，引力波似乎是以“思想的速度在傳播?！?/p>

韋伯和最早的引力波探測器“韋伯棒”

在愛因斯坦提出引力波預(yù)言近五十年后，有人開始著手構(gòu)建某種儀器來探測引力波。第一個做出這種嘗試的是馬里蘭大學(xué)的工程學(xué)教授約瑟夫·韋伯（Joseph Weber），他將這種檢測設(shè)備叫做“諧振棒狀天線”。韋伯認(rèn)為，鋁質(zhì)圓柱體可起到像鐘鈴一樣的作用，可將撞擊其上的微弱引力波信號放大。當(dāng)引力波撞到圓柱體時，會產(chǎn)生非常輕微的振動，環(huán)繞四周的傳感器將撞擊產(chǎn)生的振動轉(zhuǎn)化為電信號。為了確保他檢測到的不是附近經(jīng)過的卡車或輕微地震產(chǎn)生的振動，韋伯采取了多種預(yù)防措施：他將檢測棒懸在真空中，一次安排兩個檢測棒放在不同的地點，一個在馬里蘭大學(xué)的校園里，另一個在芝加哥附近阿貢國家實驗室里。如果兩個檢測棒在幾分之一秒內(nèi)的間隔時間產(chǎn)生同樣模式的振動，那么就可以認(rèn)為，很可能是引力波造成的。

1969年6月，韋伯宣布他的棒式探測器已有所收獲，物理學(xué)家和媒體大為興奮，當(dāng)時的《紐約時報》報道稱：“人類對宇宙的觀察揭開了新的篇章?！辈痪?，韋伯開始每日報告稱發(fā)現(xiàn)信號，但由于也建造了像他一樣的檢測棒的其他實驗室并未有類似發(fā)現(xiàn)，于是人們開始對他的結(jié)論產(chǎn)生了懷疑。到了1974年的時候，許多人得出結(jié)論認(rèn)為，韋伯一定是搞錯了。但他繼續(xù)聲稱他有新的檢測結(jié)果，直到他于2000年去世時為止。

韋伯創(chuàng)立了一個新的科學(xué)領(lǐng)域，這是他為人類留下的遺產(chǎn)。但正如維斯所說的，韋伯的探索經(jīng)歷也給人們留下了一個不好的印象，其原因是似乎引力波的探尋者“都是一些騙子，沒有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲芯竦戎惖??！?014年，用BICEP2望遠(yuǎn)鏡觀察的研究人員稱在南極附近發(fā)現(xiàn)了似乎是宇宙大爆炸留下的引力輻射，雖然信號是真的，但最后證實它只是宇宙塵埃的產(chǎn)物，這更是進一步強化了這種觀點。韋伯之后還有一批受到他啟發(fā)的研究人員。例如，維斯開始了一個最終將成為LIGO的設(shè)計：“對于韋伯的追求我無法理解，我不認(rèn)為他的想法是對的。所以我決定要走我自己的路?！?/p>

維斯的設(shè)想與LIGO探測器雛形

“尋找引力波的很多工作都是通過電話聯(lián)系完成的?！盠IGO在漢福德觀測站的負(fù)責(zé)人弗雷德·拉布（Fred Raab）說道。他們在每周例會上討論數(shù)據(jù)，在兩周一次的會議討論兩個探測器之間的協(xié)調(diào)工作，參與者有澳大利亞、印度、德國、英國和其他地方的合作者?！斑@些研究者午夜夢醒時，腦海中還縈繞關(guān)于探測器的夢境，可見他們投入之深。”拉布說道。正是這種精神促使維斯構(gòu)思出如此復(fù)雜而切實可行的儀器設(shè)備。

維斯的檢測方法與韋伯有著很大的不同。他的最初設(shè)想是將探測器做成“L”形。想象一下兩人臥在地板上，兩個腦袋緊挨著，身體呈直角，當(dāng)引力波經(jīng)過他們時，一個人會被拉長一點，另一個人會被縮短一些，然后片刻過后，相反的事情會發(fā)生在這兩個人的身上。他的設(shè)計所依據(jù)的原理是，當(dāng)引力波向一個的時空延伸擴展時，會在另一個方向壓縮時空。維斯的儀器要測量的就是這兩次波動產(chǎn)生的長度差異，當(dāng)然實際上的探測器會更龐大，用的是幾英里長的鋼管。

為獲得精確的測量結(jié)果，維斯建議以光為標(biāo)尺。他想象在“L”形設(shè)計的彎曲處放置激光源。激光源“向每根管道發(fā)送一道激光束，激光束到達另一端的鏡面上會被反射回來，在真空中光速是恒定的，因此在管道中清除了空氣和其他的粒子后，激光束將會在“L”形結(jié)構(gòu)的彎曲處同步重組，除非有引力波通過，在這種情況下，激光源和反射鏡之間的距離會略有變化，因為此時其中一個管道中的激光束通過的距離會比另一道激光束稍短一些，它們返回的時間將不再同步。引力波越強，差距越是明顯。這樣的檢測設(shè)備需要達到的精度是之前任何檢測設(shè)備的數(shù)千倍，同時，為了將迅速變?nèi)跸У囊Σㄐ盘枏牡厍蛏蠠o處不在的喧囂聲中提取出來，還需要更精微的調(diào)試來提取一個迅速變?nèi)醯奈⑷跣盘枴?/p>

維斯于1972年春寫下了他的設(shè)想，作為他的實驗室季度進展報告的一部分。但這篇論文從未在任何科學(xué)期刊上發(fā)表，這只是他當(dāng)時的一個想法，而不是一份實驗報告。但因在電影“星際穿越”拍攝中擔(dān)任科學(xué)顧問而聞名的加州理工學(xué)院名譽教授基普·索恩（Kip Thorne）認(rèn)為：這是有史以來最偉大的論文之一。事實上，索恩與查爾斯·米斯納（Charles Misner）和約翰·惠勒（John Wheeler）合著并于1973年首次出版的關(guān)于引力波理論的里程碑式的教科書中，就包括有一名學(xué)生演示激光測量引力波的內(nèi)容。

1975年，維斯邀請索恩與NASA的科學(xué)家對話。會面前夜，在華盛頓特區(qū)酒店的一個房間里，他們坐在一張小桌旁寫寫畫畫，桌上是畫著草圖寫著方程式的一張又一張的草稿紙?！笆澜缟峡梢韵裎覀冞@樣交流這個話題的人并沒有多少，而我們在這個問題上已經(jīng)研究了很多年。”維斯回憶道。當(dāng)索恩回到自己房間里的時候，天邊已泛出粉紅色，天快亮了。

LIGO項目與基金會義無反顧的支持

在麻省理工學(xué)院，維斯開始組裝一個尺寸只有5英尺高的作為檢測臂的小型探測器，但得不到他所在部門管理人員的支持，他的很多同事也都持懷疑態(tài)度。其中一位很有影響力的天體物理學(xué)家兼相對論專家菲利普·莫里森（Phillip Morrison）堅持認(rèn)為黑洞并不存在，因為支持黑洞存在的觀測數(shù)據(jù)實在太少了，這也是當(dāng)時許多同時代科學(xué)家所持有的觀點。另外，黑洞是理論上可以發(fā)射出相當(dāng)規(guī)模引力波的少數(shù)宇宙現(xiàn)象之一，但維斯的設(shè)備什么也沒有找到。索恩則取得了一些成功，1981年時，已有一個檢測臂長131英尺的原型機在加州理工學(xué)院運行。一位名叫羅納德·德雷弗（Ronald Drever）的蘇格蘭裔物理學(xué)家負(fù)責(zé)這設(shè)備的制造，并在建造的過程中，在維斯設(shè)計的基礎(chǔ)上不斷改進。

1990年，經(jīng)過多年的研究、報告、演講和委員會會議，維斯、索恩和德雷弗，說服了美國國家科學(xué)基金會（NSF）資助LIGO的建設(shè)。這個項目要花費2.72億美元，這是NSF科研資助項目中空前絕后的?！耙婚_始就引起了很大的爭議?！本S斯說。

“天文學(xué)家們毫不猶豫地反對這個計劃，因為他們認(rèn)為這將是有史以來最大的錢財浪費?！痹S多科學(xué)家擔(dān)心LIGO項目會擠掉其他研究項目的經(jīng)費。當(dāng)時美國國家科學(xué)基金會的一位項目管理官員里奇·艾薩克森（Rich Isaacson）在LIGO項目的啟動上起了關(guān)鍵性的作用?！八兔绹鴩铱茖W(xué)基金會都堅定地支持我們，和我們共同承擔(dān)這巨大的風(fēng)險?！本S斯說道。

“這東西本來也許不該建的?！卑_克森說道，“幾個人瘋了樣地到處游說，在什么信號也沒發(fā)現(xiàn)的情況下，就討論起遠(yuǎn)超出當(dāng)前技術(shù)水平的真空技術(shù)、激光技術(shù)、防震技術(shù)、反饋系統(tǒng)以及一些還都沒有被發(fā)明出來的材料。”但是，艾薩克森的博士論文寫的就是引力輻射，他相信建立LIGO的理論基礎(chǔ)。“我是引力波研究群體在NSF內(nèi)部的‘鼴鼠’。”他開玩笑地自嘲道。

在他們的項目申請計劃書中，LIGO小組提醒道，他們的最初設(shè)計的探測器可能什么都探測不到。但他們認(rèn)為，一個不完美探測器的建立是為了學(xué)習(xí)如何建造一個更好的。“可以有理由想象得到，這是一個會失敗的計劃。”艾薩克森說道，但他說服了美國國家科學(xué)基金會，即使在初期檢測不到什么信號，但測量精度會有所提高，所以投資是值得的。1994年初，LIGO計劃正式開始破土動工。

第一代LIGO的不斷改進與完善

經(jīng)過兩年時間，他們制造出了歷史上最敏感的設(shè)備，但除了引力波之外，對其他任何東西都不敏感。光是抽空管道內(nèi)的空氣就花了40天時間，形成了地球上最純粹的真空環(huán)境，只有海平面大氣濃度的萬億分之一。但還是存在一些出乎意料的干涉源，如漢福德的風(fēng)聲，利文斯頓臨海的海風(fēng)，電網(wǎng)波動對激光束的影響，鏡面中個別原子的不穩(wěn)定和遠(yuǎn)處的雷電風(fēng)暴等。所有這些都有可能會被誤認(rèn)為是引力波，每一種干涉源都需要加以消除或控制。LIGO中有一個可對微弱地震做出應(yīng)對的子系統(tǒng)，通過啟動減震功能，用相反的作用力抵消震動，保持反射鏡的穩(wěn)定。另外還有一個子系統(tǒng)用來監(jiān)測其他干擾聲，包括經(jīng)過的汽車、飛機和狼嚎等。

“需要考慮的細(xì)節(jié)成千上萬，實實在在的上萬個?！本S斯說道。“每一個細(xì)節(jié)都需要加以完善，確保不會有任何東西對信號形成干擾。”在調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)部組件時，必須要有便攜式潔凈室、消毒工具以及被他們稱為“兔子裝”的全身防護工作服，以防止皮膚細(xì)胞或粉塵粒子偶爾落到光學(xué)器件上。

第一代觀測設(shè)備，即研究團隊如今所稱的“初級LIGO”（Initial LIGO），于2001年啟動并運行。在接下來的九年里，科學(xué)家們不斷改進和提高儀器的性能和數(shù)據(jù)分析算法。同時，通過加州理工學(xué)院的一個原型機和德國的一家工廠，開發(fā)出更加敏感的反光鏡、激光束和隔震技術(shù)。2010年，探測器停止使用，開始了為期5年，價值2億美元的升級工作。如今系統(tǒng)的防干擾能力極強，漢福德觀測站的一位部門經(jīng)理在控制室邊上發(fā)動摩托車時，監(jiān)控引力波信號的科學(xué)家在屏幕上什么也沒有發(fā)現(xiàn)，這一場景在測試日志中留下了生動的描述：“布巴騎在摩托車上呼嘯而去?！钡诙冗MLIGO系統(tǒng)對宇宙空間的觀測區(qū)域的范圍將提高到之前的一千倍以上。

最花功夫的是反射鏡，據(jù)雷特茲介紹，它們是世界上最好的反射鏡。每面反射鏡都有1尺多寬，重近90磅，拋光精度達一英寸的一億分之一的完美球體，每面造價近100萬美元。一開始反射鏡是懸吊在一圈鋼絲繩上的，升級后被連接在一個鐘擺系統(tǒng)上，可更好地排除輕微地震的干擾，然后懸掛在熔融石英玻璃纖維下，雖然強度足以承受反射鏡的重量，但缺點是一碰就響。格拉斯哥大學(xué)的吉姆·霍夫（Jim Hough）說道：“當(dāng)你輕彈威士忌玻璃杯，它會發(fā)出清脆好聽的聲音，熔融石英的材質(zhì)甚至比威士忌玻璃杯更好，發(fā)出的聲音就像拔動小提琴的琴弦一樣?！比绱溯p柔的干擾聲音，用LIGO的信號處理軟件可以完全清除掉，因而又解決一個潛在的干擾源。

引力波信號的抵達與確認(rèn)過程

先進LIGO的升級時間比預(yù)期的要長，因此改進后新儀器的正式運行日期比預(yù)定的還要推遲幾天，一直要延遲到2015年9月18日。一周前維斯被從波士頓叫來確定一些射頻干擾源。他建議通過為期一周的維修計劃來解決這個問題，但是項目董事拒絕了他的建議。“感謝上帝，幸虧他們沒讓我這么做?！本S斯說道，“否則信號進來時設(shè)備處于離線狀態(tài)，那就糟了。”

9月13日星期日，漢德弗的運行管理專家安娜瑪麗亞·艾弗勒（Anamaria Effler）一整天都和同事在利文斯頓的探測器這里，完成電池組的最后測試?！拔覀兇舐暫敖校覀儞u晃東西發(fā)出震動聲，我們導(dǎo)入磁鐵干擾，反正所有各種測試都做了?！彼f。到凌晨4點鐘的時候，只剩下最后一個測試，模擬附近卡車司機踩剎車的聲音，然后收拾東西開車回家，留下設(shè)備在那里靜靜地收集數(shù)據(jù)。在他們離開后不久，當(dāng)?shù)貢r間凌晨4:50，引力波信號抵達，以7毫秒的時間差通過了LIGO的兩個探測器，離升級后的LIGO的首次正式運行還有四天時間。

這么早就發(fā)現(xiàn)了引力波的事實引發(fā)了混亂和難以置信的疑問?！拔以鴮λ腥苏f過，在2017年或2018年之前我們不會看到任何東西?！崩滋仄澱f道。LIGO科學(xué)合作組織成員、哥倫比亞大學(xué)天體物理學(xué)教授珍娜·萊文（Janna Levin）也同樣感到吃驚?！奥牭絺餮詴r，我的反應(yīng)是：別開玩笑了！”她說。信號幾乎太完美了。維斯和他的同事也都認(rèn)為，這信號是人為的測試信號。

LIGO團隊中有一小群人，他們的工作就是制造“盲輸入”信號——虛假的引力波證據(jù)——作為讓科學(xué)家們時刻保持警覺的一種方式。盡管每個人都知道這個四人團隊是哪幾個人，“但我們卻不知道會是什么樣的信號，何時會注入，以及是否會被注入?！盠IGO科學(xué)合作組織的發(fā)言人加布里娜·岡薩雷斯（Gabriela González）說道。在初級LIGO最后運行的2010年，探測器曾接收到一個強烈的信號，科學(xué)家們對它進行了長達6個月的緊張分析后，認(rèn)為它是來自大犬座星系的引力波信號。然而，就在他們準(zhǔn)備將研究論文提交相關(guān)期刊發(fā)表之前，卻得知這個信號其實是輸入的虛假信號。

而這一次，“盲輸入”組成員信誓旦旦地稱這信號和他們沒有任何關(guān)系。馬可·德拉戈認(rèn)為，他們的否認(rèn)可能也是測試的一部分，但作為四人組成員之一的雷特茲卻有另外的擔(dān)憂?！拔覔?dān)心的是，人們可以認(rèn)為我們只是出于謹(jǐn)慎而否認(rèn)，但這是否是有人在惡作劇呢？”他說。“會不會有人在我們的探測器里偽造了一個信號，而我們都被蒙在鼓里呢？”雷特茲說道。雷特茲、維斯和岡薩雷斯等人認(rèn)為，如果真是有人搞的惡作劇，那么此人一定對設(shè)備和算法十分熟悉，才有可能欺騙系統(tǒng)并掩蓋他或她的作案痕跡。有可能做到這一點的嫌疑人只有4個，但他們都沒有合情合理的作案動機?！拔覀儽P問了那幾個人。”維斯說道?！暗麄兌际缚诜裾J(rèn)絕對沒有做過。”最終他說，“我們承認(rèn)，最簡單有效的解釋就是：這真的是來自一對黑洞的引力波?！?/p>

LIGO科學(xué)合作組織內(nèi)各部門開始對方方面面進行確認(rèn)，他們回顧了儀器的校準(zhǔn)過程，對軟件代碼進行逐行分析，列出所有可能的環(huán)境干擾，從大氣電離層振蕩到環(huán)太平洋地震。“引力波信號出現(xiàn)的大約同一時刻，一道非常強烈的閃電襲擊了非洲。”LIGO首席科學(xué)家斯坦·惠特科姆（Stan Whitcomb）說道，“但我們磁力計表明，它未能產(chǎn)生足夠的擾動引起這個事件?！弊罱K，他們確認(rèn)這個探測結(jié)果達到了統(tǒng)計學(xué)上的5西格瑪閾值，宣布物理學(xué)發(fā)現(xiàn)的黃金標(biāo)準(zhǔn)，而這個引力波信號被發(fā)現(xiàn)的概率只有350萬分之一。

技術(shù)人員正在檢查LIGO的光學(xué)器件

引力波發(fā)現(xiàn)的意義與未來前景

9月14日檢測到的引力波如今正式命名為GW150914，引力波信號的發(fā)現(xiàn)已產(chǎn)生了一些重要的天體物理研究成果。首先，它代表了對黑洞存在的首次觀測證據(jù)，在此之前，黑洞只存在于物理學(xué)理論中。根據(jù)黑洞的定義，它們會吞噬掉所有在它們附近的光線，導(dǎo)致傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡根據(jù)發(fā)現(xiàn)不了它們，而引力波是已知唯一能夠逃離黑洞重力擠壓并泄露黑洞信息的來源。

LIGO的科學(xué)家們從這一引力波信號中提取了數(shù)量驚人的信息，包括產(chǎn)生這道引力波的黑洞的質(zhì)量，軌道的運行速度等。這兩個黑洞的質(zhì)量比預(yù)期的要大得多，這個令人驚訝的結(jié)果如果在未來的觀察中被證實，可有助于解釋許多星系中心神秘超大質(zhì)量黑洞的形成之謎。研究團隊還對被稱為“衰蕩”（ringdown）的現(xiàn)象進行了量化分析，“衰蕩”是指新的更大的黑洞在成為球形過程中的三次能量大爆發(fā)?！斑@種‘衰蕩’現(xiàn)象是很壯觀的?！比R文說道。它為確認(rèn)相對論關(guān)于黑洞的一個最重要的預(yù)測提供了證據(jù)：即黑洞在合并后會將其不完美的部分以引力波的形式輻射出去。

引力波的發(fā)現(xiàn)還證實了愛因斯坦對物理宇宙另一方面的觀點是正確的?！澳阒挥性谂罉翘莸臅r候才會感覺地球引力的存在?！本S斯說道，“但是在物理學(xué)上，引力非常微弱，影響很小。”但在黑洞附近，引力是宇宙中最強大的力量，擁有足以撕裂原子的能力。愛因斯坦曾在1916年做出預(yù)測，LIGO的分析表明愛因斯坦的方程式與真實世界的實際觀測結(jié)果幾乎完美一致。那么“他究竟是怎么知道的呢？”維斯覺得困惑，“如果有可能，我真想將那個早晨看到的數(shù)據(jù)拿給他看，然后看看他臉上會是怎樣的表情?！?/p>

自9月14日檢測到引力波信號以來，LIGO繼續(xù)觀察候選的引力波信號，雖然這些信號沒有一開始的信號那么強?！皬姶蟮男盘栕屛覀兗优d奮?！本S斯說道，“但看到其他一些強度較弱的信號我們也很高興，這表明一開始觀測到的引力波并不是唯一的偶然事件。”

科學(xué)家所了解的宇宙知識幾乎都是通過電磁光譜獲得的。四百年前，伽利略就開始用他的望遠(yuǎn)鏡探索可見光領(lǐng)域。自那時以來，天文學(xué)家們逐漸擁有了更多的觀察工具，他們已經(jīng)學(xué)會了如何觀察無線電波、微波、紅外線、紫外線、X射線和伽馬射線，他們看到了船底座星云中恒星的誕生，看到了土星第八個衛(wèi)星上間歇泉的噴發(fā)，確定了銀河系中心的位置，探測到了我們周圍類地行星的位置。

但是，百分之九十五的宇宙仍然無法用傳統(tǒng)的天文學(xué)手段觀察到。引力波也許還無法探測到構(gòu)成不可見宇宙大部分的所謂的暗能量，但它能幫助我們以前所未有的方式巡視時空?！耙Σ▽τ谖覀儊碚f是一種全新的望遠(yuǎn)鏡?！崩滋仄澱f，“這意味著一個全新的天文學(xué)領(lǐng)域正等待著我們?nèi)ヌ剿?。”萊文說。如果說我們之前所看到的宇宙是一部無聲電影，引力波將會讓我們的宇宙變成更精彩的有聲有色的大屏幕。

湊巧的是，LIGO可以檢測到的特定頻率的波段，也正好在人類的聽覺范圍內(nèi)，大約在35至250赫茲之間，但當(dāng)這個引力波的“唧唧”聲抵達地球時，已經(jīng)變得很輕很輕，LIGO捕獲到的也只有幾十億年前黑洞合并時0.2秒的一瞬，但是通過音頻處理后的聲音聽起來像一個“滑音”，相當(dāng)于“用你的手指和指甲的背面，在鋼琴上從最低音滑到中音C的聲音”，維斯說。

不同的天體會發(fā)出它們獨有的引力波，這意味著LIGO以及未來改進版的LIGO最終有可能聽到“宇宙樂團”的“交響樂”。比如，“雙中子星引力波的聲音就像短笛聲?！崩滋仄澱f。而單獨旋轉(zhuǎn)的脈沖星，可能會發(fā)出一個單音調(diào)的“?！甭暎拖袢氰F的聲音，黑洞的引力波則像弦樂聲，就像低音提琴產(chǎn)生的音域低的音調(diào)，取決于黑洞的質(zhì)量從這個低音再往上。但是，LIGO只能檢測到類似于小提琴和中提琴的聲音，要想聽到銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的引力波的聲音，我們只有期待未來具有不同敏感性的探測器給我們帶來新的驚喜。

好幾個這樣的探測器正在規(guī)劃階段或在建階段，包括愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡，這是歐洲的一個項目，它的地下探測臂將是LIGO長度的兩倍以上，還有去年歐洲航天局在美國國家航空航天局（NASA）支持下建于太空中的由三種儀器設(shè)備構(gòu)成的eLISA。還有一些探測器已啟動并開始運行，包括正在進一步探測宇宙遙遠(yuǎn)過去的引力波回聲的BICEP2望遠(yuǎn)鏡項目，雷特茲希望引力波的發(fā)現(xiàn)將激勵這一領(lǐng)域引入更多的投資。

升級后的LIGO的第一個觀察運行于1月12日結(jié)束。艾弗勒和任務(wù)團隊中的其他成員開始了新一輪的改進工作，探測器正在一步步接近其最大的靈敏度。在未來的兩到三年時間里，它將每日記錄引力波事件，并在這個過程中收集更多的數(shù)據(jù)。到夏末時系統(tǒng)將再次上線，傾聽我們幾乎難以想象的來自宇宙深處的天籟之音。“我們正在打開一個與以往完全不同的觀察宇宙的新窗口，雖然我們還不知道通過這個窗口我們將看到什么，”索恩說道，“但它一定會給我們帶來更大的驚喜?！?/p>

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：遙醒]

本文作者尼古拉·特利（Nicola Twilley），《飲食地理》博客作者，《腹足類動物》播客節(jié)目的主辦人之一，《紐約客》雜志的特約撰稿人。