示意圖：兩個(gè)黑洞的合并過(guò)程及其對(duì)于背景星光的扭曲形變效果
一個(gè)中央存在兩個(gè)黑洞的星系
在2002年至2010年之間的運(yùn)行時(shí)期，LIGO設(shè)施驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)概念的可行性，隨后經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)5年的關(guān)閉升級(jí)。直到2015年9月份，升級(jí)后的該設(shè)施被重新啟用并被稱作“先進(jìn)LIGO”。而就在今天晚上，北京時(shí)間2月11日23：30許，先進(jìn)LIGO合作組即將對(duì)外發(fā)布他們的首個(gè)重要科學(xué)成果。對(duì)此，外界普遍的猜測(cè)是：他們將要宣布首次直接探測(cè)到引力波信號(hào)的消息。如果這個(gè)消息最終結(jié)果被證實(shí)，這將意味著什么？
一個(gè)脈沖星雙星系統(tǒng)及其產(chǎn)生的時(shí)空漣漪（引力波）示意圖
LIGO設(shè)施工作原理圖
時(shí)空中的漣漪
當(dāng)愛(ài)因斯坦最早提出他的廣義相對(duì)論的時(shí)候，他徹底革新了我們?cè)葘?duì)于時(shí)間與空間的概念理解。我們此前一直認(rèn)為空間是恒定而不變的，物質(zhì)和能量存在于其中。但愛(ài)因斯坦的理論指出空間實(shí)際上與能量和質(zhì)量之間都是相互聯(lián)系的，并且隨著時(shí)間推移空間也在發(fā)生變化。如果只存在一個(gè)質(zhì)量物體，靜止地存在于時(shí)空之中（或者處于勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)），那么它所處的時(shí)空不會(huì)發(fā)生變化。但如果你加入第二個(gè)質(zhì)量物體，那么這兩個(gè)物體之間就會(huì)發(fā)生相互運(yùn)動(dòng)，互相會(huì)向?qū)Ψ绞┘右粋€(gè)加速度，在這一過(guò)程中也就將造成時(shí)空結(jié)構(gòu)的改變。更加重要的是，由于存在一個(gè)大質(zhì)量粒子在引力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，廣義相對(duì)論指出這一大質(zhì)量物體將會(huì)被加速，并釋放一種特殊的輻射：引力輻射。
這種引力輻射與你所知的其他任何種類的輻射都不同。它會(huì)以光速穿越空間，但它本身又是空間中的漣漪。它從被加速的物體帶走能量，這就意味著，如果這兩個(gè)質(zhì)量物體處于相互運(yùn)行的軌道之中，那么隨著時(shí)間推移這個(gè)軌道將會(huì)逐漸收縮，這兩個(gè)質(zhì)量物體之間的距離將逐漸縮短。不過(guò)不要太過(guò)擔(dān)心，對(duì)于像地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)行這樣一個(gè)系統(tǒng)，相對(duì)而言這兩個(gè)天體的質(zhì)量還太小，而兩者之間的距離又非常巨大，因此在引力波耗散能量的條件下，這個(gè)軌道也將需要經(jīng)過(guò)10的150次方年才會(huì)衰減崩潰，如此長(zhǎng)的時(shí)間早已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了宇宙的年齡，事實(shí)上這也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了已知所有恒星的壽命！然而對(duì)于相互繞轉(zhuǎn)的黑洞或中子星而言，它們之間存在的軌道衰減效應(yīng)則已經(jīng)被觀測(cè)到了。
科學(xué)家們認(rèn)為宇宙中可能還存在著我們尚未探測(cè)到的更高能的事件，如黑洞的相互合并。這類事件應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生某種特征信號(hào)，而這樣的信號(hào)是可以被“先進(jìn)LIGO”系統(tǒng)捕捉到的。
先進(jìn)LIGO設(shè)施的引力波探測(cè)范圍示意圖
先進(jìn)LIGO探測(cè)器
從本質(zhì)上而言，“先進(jìn)LIGO”系統(tǒng)采用的探測(cè)手法是相當(dāng)簡(jiǎn)單而直接的，它利用了引力波輻射的本性和它最重要的性質(zhì)之一。引力波會(huì)造成空間的拉伸或壓縮，其頻率和強(qiáng)度取決于形成這種引力波的天文事件所具有的一系列特征，如兩個(gè)相互繞轉(zhuǎn)天體各自的質(zhì)量大小、它們兩者之間的間距以及這一系統(tǒng)距離地球的遠(yuǎn)近。“先進(jìn)LIGO”設(shè)施包括兩條互相垂直的長(zhǎng)臂，長(zhǎng)度均為4公里。將一束激光用分光鏡分成夾角為90度的兩束，然后兩束激光分別被4公 里外的反射鏡反射回來(lái)并發(fā)生干涉，并且這樣的反射可以來(lái)回進(jìn)行多次，從而大大增加激光運(yùn)行的路徑長(zhǎng)度。由于頻率和波長(zhǎng)完全一致，在正常情況下，這兩束激光 應(yīng)該是完全相同的，但是如果存在引力波作用，則會(huì)對(duì)這兩束激光的波長(zhǎng)頻率產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致兩束激光在疊加的干涉條紋上出現(xiàn)改變。這樣的改變將能夠讓科學(xué) 家們判斷兩個(gè)繞轉(zhuǎn)天體各自的質(zhì)量大小、它們之間的間距以及這玩意系統(tǒng)到地球之間的距離等豐富的信息。
先進(jìn)LIGO包括兩處設(shè)施，分別位于美國(guó)西北部（華盛頓州）以及美國(guó)東南部（路易斯安那州）。如果這兩處設(shè)施均觀測(cè)到同樣的信號(hào)，那么我們幾乎就能夠肯定我們的確是觀測(cè)到了引力波信號(hào)了。目前版本的LIGO系統(tǒng)對(duì)于質(zhì)量在1倍太陽(yáng)質(zhì)量到數(shù)百倍太陽(yáng)之間之間的兩個(gè)黑洞合并過(guò)程可能產(chǎn)生的引力波信號(hào)最為敏感，且其探測(cè)能力可以覆蓋距離地球數(shù)百萬(wàn)光年之外——在這樣一個(gè)巨大的空間范圍內(nèi)，符合條件的黑洞合并事件每年都會(huì)至少發(fā)生幾次。
如果今晚LIGO合作組真的如外界所傳言的那樣，正式宣布探測(cè)到引力波信號(hào)的消息，那么這一消息所承載的意義將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其本身——這將是對(duì)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的全新檢驗(yàn)，也是人類歷史上對(duì)引力輻射首次成功的直接探測(cè)。“先進(jìn)LIGO”是有史以來(lái)人類建造的最先進(jìn)的引力波觀測(cè)設(shè)施，因此也是最有希望能夠窺見(jiàn)真實(shí)引力波信號(hào)的地方。該項(xiàng)目有超過(guò)1000名頂尖科學(xué)家參與其中，因而也使其成為規(guī)模最為龐大的引力波搜尋國(guó)際合作研究項(xiàng)目。如果所有科學(xué)目標(biāo)都能夠如預(yù)期中的那樣達(dá)成，那么就在今晚，我們將一起見(jiàn)證一個(gè)全新天文學(xué)時(shí)代的開(kāi)端。
盡管這次的消息最早是由一位項(xiàng)目組之外的科學(xué)家勞倫斯·克勞斯（Lawrence Krauss）最先披露的，因而也引發(fā)了外界的廣泛批評(píng)——因?yàn)檫@樣的消息理應(yīng)是由當(dāng)事方，也就是LIGO項(xiàng)目合作組來(lái)負(fù)責(zé)對(duì)外發(fā)布的。但不管如何，就在今晚，如果引力波被首次直接探測(cè)到的消息能夠得到證實(shí)，那么這些都將顯得不再那么重要，因?yàn)槲覀儗?huì)因此受益 良多：我們將會(huì)再次確認(rèn)愛(ài)因斯坦是對(duì)的，引力輻射是真實(shí)存在的，并且黑洞的合并過(guò)程的確會(huì)產(chǎn)生這樣的引力輻射，而更重要的是，這樣的引力輻射信號(hào)是可以被 從地球上探測(cè)到的。這將是一個(gè)全新的天文學(xué)領(lǐng)域，一個(gè)不需要望遠(yuǎn)鏡的新的天文學(xué)領(lǐng)域，它將引領(lǐng)我們打開(kāi)理解黑洞、中子星和其他難以采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行觀測(cè)的天體類型的全新視野。
