第三次引力波探测不仅仅是关于黑洞

那时我们的太阳还很暗淡。火星海滩上波涛汹涌。地球上生命正在诞生。就在那时，两颗死星的“幽灵”——质量是太阳数十倍的黑洞——在宇宙遥远的一角合并。在它们最后时刻，这些双黑洞以每秒数百次的速度相互环绕，每个黑洞自身旋转速度是这个速度的十倍。

今年1月4日，来自那次碰撞的遥远雷声般的隆隆声抵达地球，穿过华盛顿汉福德的激光干涉引力波天文台（LIGO）的探测器。然后，以光速传播的这个时空涟漪，仅在几分之一秒后，穿过路易斯安那州利文斯顿LIGO的第二个探测器。结果于周四发表在《物理评论快报》上。

宇宙力量

在自然界的四种基本力中，引力是最弱的。因此，只有超新星、中子星和合并黑洞等极端宇宙事件才能产生可探测的引力波。这些波非常微弱，它们对地球和太阳之间距离的扭曲程度仅相当于一个氢原子的宽度。但当这些波穿过LIGO的双探测器时，其巨大的激光器可以捕捉到时空真正微小的伸缩。

你可以把它想象成一个测量宇宙引力结构中微小地震的地震仪。当LIGO探测到一次撞击时，引力波会产生一个科学家们称之为“啁啾”的特征信号，因为一旦将其转换成人类耳朵能听到的格式，它就会发出这种声音。这是自阿尔伯特·爱因斯坦在一个世纪前首次在他的广义相对论，即引力理论中预测引力波以来，第三次这样的探测。

总的来说，这些观测构成了黑洞普查的第一批样本，具有深远的意义。今年早些时候发现的双黑洞在碰撞前质量分别为太阳的19倍和31倍。合并后，这对黑洞形成了一个质量是太阳49倍的单一黑洞。爱因斯坦的方程告诉我们，能量和质量是可以互换的。因此，丢失的太阳质量的能量以引力波的形式辐射到整个宇宙。

通过这次探测，科学家们首次认为这两个黑洞可能以相反的方向旋转。这可能揭示形成它们的恒星的生命线索。很可能这两颗恒星生活在一个致密的恒星团中。

在LIGO之前，天文学家并不知道所谓的太阳质量黑洞（恒星死亡时形成）能达到如此极端的尺寸。这次普查还可以帮助解释天文学中一个持久的谜团。科学家们已经看到了主宰整个星系的超大质量黑洞，以及恒星死亡后形成的小黑洞。我们甚至现在知道了质量相当于数千个太阳的所谓中等质量黑洞。但这些都是如何形成的呢？许多小黑洞是否会合并成越来越大的庞然大物？LIGO才刚刚开始拼凑这个谜团。

远不止黑洞

最新的信号经过近30亿光年才到达地球——是其他探测距离的两倍。由于引力波到达时并未减弱，它又一次证明了爱因斯坦的理论之一，表明引力以光速传播。“LIGO将远不止是关于黑洞的，”威斯康星大学密尔沃基分校（UWM）物理学家、探测团队资深成员乔林·克雷顿说。

这个天文台为宇宙打开了一扇新的窗口，让科学家们能够听到来自遥远宇宙深处的声音——那些传统望远镜一无所获的地方。LIGO将为从地球上最重的元素到引力本身的性质提供新的见解。

LIGO的下一个重大突破预计将来自探测双中子星的碰撞——死星的尸体，它们将一颗太阳的质量压缩到一个城市大小的球体中。这些合并发生在与LIGO已经观测到的黑洞碰撞相似的波长上，科学家们曾预计会首先看到中子星。“这篇论文只报告了几周的数据，我们计划运行到8月份，”宾夕法尼亚州立大学的LIGO科学家查德·汉纳说，“我们可能还会探测到更多事件。”因此，双中子星合并仍有可能在今年被观测到，或者在LIGO合作组织未来几年升级其仪器之后。

去年夏天的一次升级并没有像科学家们希望的那样大幅提高仪器的灵敏度。“我们在地球上看到的大量元素并非形成于爆炸的恒星，而是形成于双中子星的碰撞，”克雷顿说。人类主要由碳和氢等典型的恒星物质组成，但其他原子序数较高的地球元素，如金，被怀疑来自这些更奇特的事件。“我们在太阳系中看到的大部分金可能来自一次双中子星碰撞，那次碰撞产生了类似木星质量的金，并将其分散到各个方向，”克雷顿说。

LIGO将探测中子星合并并向更广大的天文学界发出警报，告诉研究人员将他们的望远镜都指向天空的那个区域并捕捉事件。这些观测将使科学家们能够在实验室中永远无法重现的条件下检验理论。

物理学家们还希望LIGO的更多观测能够揭示引力本身的最新见解，以及理论上的力载体粒子，即引力子。它之于引力，犹如光子之于光。像光子一样，科学家们怀疑它也没有质量。而这次LIGO的第三次引力波探测有助于限制引力子可能的大小。

但新的测试也即将到来。“我真的对检验广义相对论感到兴奋，”威斯康星大学密尔沃基分校（UWM）物理学家莎拉·考迪尔说，她负责使LIGO探测成为可能的计算机集群。她怀疑LIGO可能会揭示爱因斯坦的理论需要一些小的修正。

“我想如果广义相对论是百分之百正确的，大多数人会感到惊讶，但目前还没有证据表明它不正确。爱因斯坦在100年前提出了这个理论，那时还没有能力观测引力波，所以他能百分之百正确将是一个相当了不起的壮举。”