騰訊太空 喬輝 2016年6月16日報(bào)道
北京時(shí)間6月16日凌晨1時(shí)15分， LIGO科學(xué)合作組織在美國天文學(xué)會(huì)第 228 次會(huì)議舉行的新聞發(fā)布會(huì)上宣布，他們又確認(rèn)了兩顆黑洞合并的引力波事件。
這股引力波掃過地球的時(shí)間是2015年12月26日，被美國“激光干涉引力波天文臺(tái)”（LIGO）的兩臺(tái)孿生引力波探測器探測到，因此被命名為GW151226 【Gravitational Wave 2015-12-26】。經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)分析，最終才確認(rèn)這又是一個(gè)引力波事件。
兩次引力波事件的波源所在天球中的可能區(qū)域
這次探測到的引力波也是由兩顆黑洞在合并的最后階段產(chǎn)生的，距離地球14億光年。兩顆黑洞的初始質(zhì)量分別為14.2顆太陽和7.5顆太陽，合并成了一顆20.8倍太陽質(zhì)量高速旋轉(zhuǎn)的黑洞，虧損的0.9顆太陽質(zhì)量以強(qiáng)大引力波的形式釋放到宇宙空間，經(jīng)過14億年的漫長旅行，終于抵達(dá)了地球，被美國的“激光干涉引力波天文臺(tái)”（LIGO）的兩臺(tái)孿生引力波探測器在圣誕節(jié)期間探測到。
什么是引力波？
如同石頭丟進(jìn)水里產(chǎn)生波紋一樣，引力波被視為時(shí)空中的漣漪。副本
在物理學(xué)上，引力波是愛因斯坦1916年根據(jù)廣義相對論所預(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。
1974年物理學(xué)家泰勒（Joseph Hooton Taylor）和赫爾斯（Russell Alan Hulse）發(fā)現(xiàn)了一個(gè)脈沖星雙星系統(tǒng)，后續(xù)的觀測表明，該系統(tǒng)由于引力波輻射阻尼造成的軌道周期變化符合廣義相對論的理論預(yù)測，從而首次間接驗(yàn)證了引力波的存在，榮獲1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
黑洞合并釋放的能量要借助質(zhì)能方程求解
物理學(xué)家根據(jù)探測到的引力波波形并結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬推斷，兩顆黑洞的初始質(zhì)量分別為14.2顆太陽和7.5顆太陽，合并成了一顆20.8倍太陽質(zhì)量的高速旋轉(zhuǎn)大黑洞?？吹竭@里發(fā)現(xiàn)哪里不對勁了嗎？通常來講，14.2顆太陽質(zhì)量的黑洞加7.5顆太陽質(zhì)量的黑洞應(yīng)該等于21.7顆太陽質(zhì)量才對，另外0.9顆太陽質(zhì)量去哪里了呢？
愛因斯坦著名的質(zhì)能方程
這里要用到愛因斯坦最著名的方程式E=MC^2來解釋了。該方程不僅能解釋原子核放出巨大的能量，還能解釋這次黑洞碰撞發(fā)出的洶涌引力波。0.9顆太陽質(zhì)量以引力波的形式發(fā)出去了！
即使如此巨大的功率，經(jīng)過14億光年漫長的旅途之后，洶涌的時(shí)空海嘯已經(jīng)變?yōu)檩p撫地球的漣漪，振幅僅10^-22米（比上次引力波事件的振幅還小一個(gè)數(shù)量級），也就是說4千米長的LIGO激光干涉臂僅伸縮10^-19米（原子核尺度的萬分之一）。
共振型引力波探測器
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器。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(dòng)，但是后來的重復(fù)實(shí)驗(yàn)都一無所獲。
激光干涉探測引力波的原理
兩架孿生引力波探測器分別在華盛頓州的漢福德（左）和路易斯安那州的利文斯頓，彼此相距3000公里
美國激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）由兩座孿生的探測器組成，分別位于華盛頓州的漢福德和路易斯安那州的利文斯頓，彼此相距3000千米，只有當(dāng)兩個(gè)探測器檢測到相同的信號才有可能是引力波。
LIGO的主要部分是兩個(gè)互相垂直的干涉臂，臂長均為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，便會(huì)引起時(shí)空變形，一臂的長度會(huì)略為變長而另一臂的長度則略為縮短，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。
激光干涉儀工作原理示意圖：沒有引力波經(jīng)過時(shí)，兩束激光干涉相消，沒有信號輸出；當(dāng)有引力波經(jīng)過時(shí)，干涉儀臂的長度就會(huì)發(fā)生交替改變，從而檢測到振蕩信號。
LIGO的時(shí)間簡史
1967年，麻省理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家萊納·魏斯（Rainer Weiss）開始建造激光干涉儀的原型設(shè)備，但最后沒能成功運(yùn)行。
1968年，加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家基普·索恩（Kip Thorne）開始對引力波進(jìn)行論證研究，研究表明引力波的探測是絕對可行的，這為后續(xù)引力波實(shí)驗(yàn)增加了信心。
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(huì)（NSF）的資助下，開始聯(lián)合建設(shè)“激光干涉引力波天文臺(tái)”（LIGO）。
1999年，LIGO初步建成，2002年開始運(yùn)行。
2007年，LIGO進(jìn)行了一次升級改造，包括采用更高功率的激光器、進(jìn)一步減少振動(dòng)等。升級后的LIGO被稱為“增強(qiáng)LIGO”。
2009年7月，增強(qiáng)LIGO開始運(yùn)行。
2010年，增強(qiáng)LIGO停機(jī)，進(jìn)行了為期五年的重大升級改造，被稱為“先進(jìn)LIGO”。
2015年9月14日，尚處于工程模式（engineering mode）階段的“先進(jìn)LIGO”就探測到了疑似雙黑洞合并的引力波信號。經(jīng)過數(shù)月的數(shù)據(jù)分析研究，排除了各種可能的其它原因， LIGO聯(lián)盟于2016年2月11日向世界宣布：人類首次直接探測到了引力波。
2015年9月18日，“先進(jìn)LIGO”宣布正式運(yùn)行，靈敏度提高了4倍，也就是說探測距離增加了原來的4倍，探測的空間體積增加了64倍。
2015年12月26日，“先進(jìn)LIGO”又探測到了兩顆黑洞合并的引力波事件。LIGO聯(lián)盟于2016年6月16日向世界宣布：人類又探測到一起黑洞合并引發(fā)的引力波事件。
分布在世界各地的引力波探測器
分布在世界各地的已建和計(jì)劃中的引力波探測器
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(jì)劃中的KAGRA（原LCGT）、澳大利亞計(jì)劃中的AIGO以及印度計(jì)劃中的LIGO-India。
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更低頻率（納赫茲）的引力波。它們在探測波段上形成很好的互補(bǔ)關(guān)系。
美國探測到引力波引起了全世界的極大轟動(dòng)，我國的兩大天基引力波探測計(jì)劃也揭開了神秘的面紗。據(jù)相關(guān)報(bào)道，它們分別是由中科院提議的“太極計(jì)劃”以及中山大學(xué)提議的“天琴計(jì)劃”?！疤珮O計(jì)劃”的構(gòu)想是發(fā)射三顆繞太陽運(yùn)行的探測器，組成引力波探測陣列，與歐空局的LISA/ eLISA十分相似?！疤烨儆?jì)劃”的構(gòu)想是發(fā)射三顆探測器到地球軌道，組成引力波探測陣列，高度大約為10萬千米，針對確定的引力波源進(jìn)行探測。除此之外，中科院高能所還提出了利用射電手段探測宇宙原初引力波的“阿里”計(jì)劃。
