[科研前沿]人類(lèi)首次直接探測(cè)到了引力波
國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間2月11日上午10點(diǎn)30分（北京時(shí)間2月11日23點(diǎn)30分），美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）召集了來(lái)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(guó)家媒體中心宣布：人類(lèi)首次直接探測(cè)到了引力波！
科學(xué)家為直接探測(cè)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(cè)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(yáng)和36顆太陽(yáng)，合并成了一顆62倍太陽(yáng)質(zhì)量高速旋轉(zhuǎn)的黑洞，虧損的質(zhì)量以強(qiáng)大引力波的形式釋放到宇宙空間，經(jīng)過(guò)13億年的漫長(zhǎng)旅行，終于抵達(dá)了地球，被美國(guó)的“激光干涉引力波天文臺(tái)”（LIGO）的兩臺(tái)孿生引力波探測(cè)器探測(cè)到。
兩臺(tái)探測(cè)器記錄到的波形
探測(cè)到的引力波信號(hào)初始頻率為35赫茲，接著迅速提升到了250赫茲，最后變得無(wú)序而消失，整個(gè)過(guò)程持續(xù)了僅四分之一秒。位于利文斯頓的探測(cè)器比位于漢福德的探測(cè)器早探測(cè)到7毫秒，這個(gè)時(shí)間差表明引力波是從南部天區(qū)傳來(lái)。
什么是引力波？
在物理學(xué)上，引力波是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論所預(yù)言的一種以光速傳播的時(shí)空波動(dòng)，如同石頭丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋一樣，引力波被視為宇宙中的“時(shí)空漣漪”。通常引力波的產(chǎn)生非常困難，地球圍繞太陽(yáng)以每秒30千米的速度前進(jìn)，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(qiáng)大的引力波，但能產(chǎn)生這種較強(qiáng)引力波的波源距離地球都十分遙遠(yuǎn)，傳播到地球時(shí)變得非常微弱。
根據(jù)廣義相對(duì)論，該雙星系統(tǒng)會(huì)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(hào)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(duì)論，該雙星系統(tǒng)會(huì)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(zhǎng)軸每年減少3.5米，預(yù)計(jì)大約經(jīng)過(guò)3億年后發(fā)生合并。
自1974年，泰勒和赫爾斯和對(duì)這個(gè)雙星系統(tǒng)的軌道進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，觀測(cè)值和廣義相對(duì)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(xiàng)工作于1993年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
共振型引力波探測(cè)器
韋伯教授在調(diào)試他的引力波探測(cè)器（1965年）
上世紀(jì)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(cè)器。該探測(cè)器由多層鋁筒構(gòu)成，直徑1米，長(zhǎng)2米，質(zhì)量約1000千克，用細(xì)絲懸掛起來(lái)。當(dāng)引力波經(jīng)過(guò)圓柱時(shí)，圓柱會(huì)發(fā)生共振，進(jìn)而可以通過(guò)安裝在圓柱周?chē)膲弘妭鞲衅鳈z測(cè)到。韋伯曾經(jīng)在相距1000千米的兩個(gè)地方同時(shí)放置了相同的探測(cè)器，只有兩個(gè)探測(cè)器同時(shí)檢測(cè)到相同的信號(hào)才被記錄下來(lái)。1968年，韋伯宣稱(chēng)他探測(cè)到了引力波，立刻引起了學(xué)界的轟動(dòng)，但是后來(lái)的重復(fù)實(shí)驗(yàn)都一無(wú)所獲。
激光干涉引力波探測(cè)器
兩臺(tái)孿生引力波探測(cè)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(jì)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(shí)到用激光干涉方法探測(cè)引力波的可能性。引力波的探測(cè)對(duì)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(dāng)于質(zhì)子直徑的千分之一。直到上世紀(jì)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(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的資助下，開(kāi)始聯(lián)合建設(shè)“激光干涉引力波天文臺(tái)”（LIGO）。LIGO的主要部分是兩個(gè)互相垂直的干涉臂，臂長(zhǎng)均為4000米。在兩臂交會(huì)處，從激光光源發(fā)出的光束被一分為二，分別進(jìn)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(diǎn)，并在那里發(fā)生干涉。若有引力波通過(guò)，便會(huì)引起時(shí)空變形，一臂的長(zhǎng)度會(huì)略為變長(zhǎng)而另一臂的長(zhǎng)度則略為縮短，這樣就會(huì)造成光程差發(fā)生變化，因此激光干涉條紋就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。
兩臺(tái)孿生引力波探測(cè)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(dāng)兩個(gè)探測(cè)器同時(shí)檢測(cè)到相同的信號(hào)才有可能是引力波。LIGO于1999年初步建成，2002年開(kāi)始運(yùn)行。
2007年，LIGO進(jìn)行了一次升級(jí)改造，包括采用更高功率的激光器、進(jìn)一步減少振動(dòng)等。升級(jí)后的LIGO被稱(chēng)為“增強(qiáng)LIGO”。2009年7月，增強(qiáng)LIGO開(kāi)始運(yùn)行直到2010年10月結(jié)束。
在2002年到2010年期間，LIGO沒(méi)能探測(cè)到引力波存在的可靠證據(jù)。
位于漢福德地區(qū)的LIGO觀測(cè)站的北臂
2010年，LIGO進(jìn)行了為期五年的重大升級(jí)改造，改造之后的探測(cè)器靈敏度要求提高10倍，被稱(chēng)為“先進(jìn)LIGO”。2015年9月18日，先進(jìn)LIGO開(kāi)始試運(yùn)行。據(jù)悉，本次探測(cè)到的引力波是升級(jí)前的LIGO于2015年9月14日探測(cè)到的信號(hào)。
目前主流的引力波探測(cè)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(guó)的LIGO引力波探測(cè)器之外，還有德國(guó)和英國(guó)合作的GEO600、法國(guó)和意大利合作的VIRGO、日本的TAMA300以及計(jì)劃中的LCGT、澳大利亞計(jì)劃中的AIGO以及印度計(jì)劃中的LIGO-India。
PTA、LISA（eLISA）與LIGO（aLIGO）三種方式分別探測(cè)不同頻率的引力波，構(gòu)成互補(bǔ)關(guān)系。
地基探測(cè)器探測(cè)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(cè)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(cè)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(jì)時(shí)陣列”（PTA）的射電天文方法探測(cè)更低頻率（納赫茲）的引力波。PTA與eLISA、LIGO在探測(cè)頻率上形成互補(bǔ)關(guān)系。
引力波探測(cè)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(lèi)認(rèn)識(shí)宇宙的全新窗口，必將引發(fā)一場(chǎng)天文學(xué)的革命。
引力波探測(cè)除了能夠檢驗(yàn)廣義相對(duì)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(dòng)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(ài)因斯坦的偉大夢(mèng)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(wàn)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(yàn)宇宙大爆炸理論的正確與否。
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