发现：爱因斯坦的时空涟漪

很久以前，在 13 亿光年外的一个星系中，两个黑洞发生了碰撞。每个黑洞的质量都是太阳的几十倍，它们每秒绕对方旋转 100 次。当这两个庞然大物合并时，它们也释放了巨大的能量，相当于我们太阳质量的三倍。这些能量以时空中的引力涟漪的形式辐射开来，横扫宇宙，最终到达地球。

2015 年 9 月，这股波首先击中了位于华盛顿州汉福德的激光干涉引力波天文台（LIGO）。然后，以光速传播，不到 10 毫秒后，它击中了位于路易斯安那州利文斯顿的双子 LIGO 天文台。

在这两个天文台，数英里长的隧道中极其灵敏的激光测量捕捉到了引力波对时空的微小拉伸和挤压。这种扰动非常小，它只会将到最近星系的 25 万亿英里距离扭曲大约一个头发丝的宽度——但 LIGO 捕捉到了它。很快，兴奋的科学家们在全球各地收到了警报。

“我们探测到了引力波。我们做到了，”LIGO 执行董事 David Reitze 在 2 月初，当这项研究发表在《物理评论快报》上时说道。

没有剧作家能写出更完美的剧本了。这一历史性的发现，几乎与阿尔伯特·爱因斯坦利用其广义相对论——该理论指出质量通过扭曲时空来产生引力——预测引力波的时间相隔了一个世纪。对于一代又一代的物理学家和工程师来说，这一证实也完成了他们数十年的探索和数月的兴奋传闻。

由于引力相对较弱，只有最极端的宇宙事件——超新星、旋转的中子星、碰撞的黑洞——才能产生 LIGO 可以探测到的引力波。因此，科学家们惊讶地发现在 9 月份设备升级后立即开始搜寻就捕捉到了一股引力波；他们在圣诞节晚上又捕捉到了第二个信号。天文学家们第一次“听到了”宇宙。

揭示黑洞

黑洞之所以得名，名副其实。它们不发射也不反射光。在 LIGO 之前，天文学家只能通过观察被其引力束缚的物体来推断黑洞的存在。但 LIGO 不受视觉的限制。其双子探测器和配套的超级计算机可以解析引力波的强度和频率，从而了解黑洞的质量、自旋和位置。

这使得 LIGO 成为一种新型望远镜，它能够“听”到一个以前看不见的宇宙。LIGO 探测到的第一对碰撞的双黑洞质量分别为 36 倍和 29 倍太阳质量——远大于预期。第二对则与当前理论更为一致。

随着 LIGO 继续探测到更多的碰撞，关于黑洞的数据将不断积累。“在接下来的几年里，我们应该会有几十次探测，到本十年末，将超过一百次，”宾夕法尼亚州立大学的 LIGO 科学家 Chad Hanna 说。“这足以进行一些相当重要的天文学研究。这是一个庞大的群体。”

恒星如何生与死？

通过研究黑洞——许多恒星的最终归宿——LIGO 也有助于改写恒星演化的教科书版本。

科学家们对单颗恒星的生死过程 pretty good idea。像太阳一样的恒星会膨胀成巨星（称为红巨星），然后脱落外层，成为一个空灵的行星状星云。质量更大的恒星——比太阳质量大约 8 倍的恒星——会以超新星的形式爆炸。理论上，任何比太阳大 25 倍的恒星都会以黑洞的形式结束其生命。

但银河系中的大多数恒星实际上是双星或多星系统的一部分。当这些恒星死亡时会发生什么？理解双星系统以及其中一颗恒星的个体发展如何影响另一颗，对于理解整个恒星演化至关重要。我们才刚刚开始这样做。

“双星演化比单星演化要复杂得多，”威斯康星大学密尔沃基分校的 LIGO 科学家 Jolien Creighton 说。“可能发生的进程要多得多。”通过 LIGO 对其恒星残骸进行编目，天文学家可以更多地了解这些恒星的生命历程。

在其初步发现之后，LIGO 暂停了一段时间进行升级，然后在秋季重新启动。随着 LIGO 及其即将推出的地面和太空同伴传来更多的引力波探测信号，天文学家们将能更清晰地了解爱因斯坦看得如此清楚的这个看不见的宇宙。