天文学家如何学会“聆听”引力波

一百多年前，阿尔伯特·爱因斯坦发表了他的广义相对论，为我们现代的引力观奠定了基础。爱因斯坦提出，大质量物体可以扭曲时空的结构，其中最重、最致密的物体（如恒星和黑洞）会在时空中形成很深的“引力井”。就像投入慈善井中的一分钱会沿着弯曲的路径滚动一样，爱因斯坦意识到，当光线穿过引力井时，光子的路径也会被变形。

但这远非爱因斯坦理论所预言的全部。它还表明，当两个质量非常大的物体相互螺旋靠近并最终碰撞时，它们各自的引力井会相互作用。就像海洋中两个相互旋转的漩涡会激起强大的水波一样，两个相互螺旋靠近的宇宙物体会激起时空中的涟漪——这就是引力波。

尽管爱因斯坦预言了引力波的存在，但直到1974年——他去世近20年后——两位天文学家使用波多黎各的阿雷西博天文台才发现了引力波的第一个间接证据。但又过去了四十年，科学家们才找到了直接证据。2015年9月14日，位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的激光干涉引力波天文台（LIGO）探测器都捕捉到了引力波的标志性“啁啾”声，这是由13亿光年外两颗黑洞碰撞产生的。

随着引力波的首次探测，天文学家们证明了一种全新的工具的存在，他们可以利用这种工具来探索宇宙，从而开启了多信使天文学的新时代，这将有助于他们回答天体物理学和宇宙学中最棘手的问题。

我们如何探测引力波？

LIGO及其姐妹设施Virgo都利用了这样一个事实：当引力波穿过地球时，它们会略微扩张和收缩我们生活的时空。幸运的是，这些经过的引力波对我们的身体来说是不可察觉的，但LIGO和Virgo的探测器足够灵敏，能够捕捉到它们。事实上，LIGO首次探测到的引力波仅仅将时空收缩了大约一个原子核千分之一的距离。

那么，LIGO是如何探测到如此小的波动呢？

LIGO和Virgo合作项目使用了一个（稍作修改的）设备，该设备最初发明于19世纪80年代。这个设备，更广为人知的名称是迈克尔逊干涉仪，具有独特的L形。对于LIGO和Virgo来说，这种熟悉的形状被放大到了前所未有的巨大规模。

LIGO的每条臂长2.5英里（4公里）。与此同时，Virgo的每条臂长度不到2英里（3.2公里）。这些臂的每一条都包含两个镜子——一个在臂的起始处，另一个在臂的末端。在LIGO的情况下，一旦分束器将光束射入每条垂直的臂，光束会在镜子之间来回反射约300次，总行程接近750英里（1,200公里）。这种延长的旅行路径，加上由此产生的激光累积效应，提高了LIGO和Virgo探测经过的引力波的灵敏度。

在分束光束在每条臂内来回多次反射后，两束光线会再次通过分束器射入光电探测器。如果引力波在两束光在每条垂直臂内来回反射时经过，探测器臂内的时空就会不成比例地扭曲。换句话说，在一臂内反射的光线与在另一臂内反射的光线所经过的距离会略有不同，LIGO和Virgo可以捕捉到这种微小的差异。

不断进步

最初的LIGO设施从2002年运行到2010年，但没有探测到引力波。2010年后，LIGO进行了多年的升级，并于2015年以“先进LIGO”的身份重新开始观测。同样，Virgo也在2011年开始了类似的升级。

自2015年LIGO首次探测以来，先进LIGO和Virgo合作项目已确认探测到约50起引力波事件，以及许多其他候选事件。天文台的首次运行始于2015年9月，持续到2016年1月。第二次运行从2016年11月持续到2017年8月。第三次运行分为两部分，第一部分从2019年4月持续到2019年9月。第二部分始于2019年11月，但由于COVID-19大流行，其剩余时间表目前不确定。

科学家们在每次运行之间的时间用于进行常规维护和升级探测器。在第三次运行之前，最近的一次改进预示着近乎每天都能探测到引力波事件。尽管目前处于停运状态，LIGO/Virgo合作项目在本轮运行中已经探测到了50多起新的合并候选事件，兑现了这一承诺。

那么，我们看到了什么？

除了证明我们可以探测到之前无法触及的时空涟漪外，LIGO/Virgo的首次运行确定了至少有三起信号来自双黑洞合并。随后，在2017年8月，该合作项目探测到了由中子星碰撞产生的第一个引力波。

在过去的几年里，LIGO和Virgo稳步发现了越来越多的双黑洞合并事件。在2019年末，它们探测到了一次可能是黑洞和中子星的合并，这是前所未有的事件。“如果属实，这将是LIGO和Virgo的‘三连冠’——在三年内，我们将观测到所有类型的黑洞和中子星碰撞，”LIGO执行主任David H. Reitze在LIGO新闻发布会上说。

今年，该合作项目观测到了第二次中子星碰撞，以及另一次该团队的潜在首次观测：一次被认为与双黑洞合并的引力波探测相关的光闪。这对恒星级黑洞很可能围绕着它们星系的中心超大质量黑洞运行，该超大质量黑洞也被旋转的气体和尘埃盘所环绕。一旦双黑洞合并，它们就开始穿过超大质量黑洞的盘面。当它穿过气体时，周围的物质会发出耀眼的光芒。

合著者Mansi Kasliwal在对《Science Daily》的声明中说：“这次闪光的时机、大小和位置都非常壮观。如果我们能再次做到这一点并探测到其他黑洞合并的光，那么我们就能确定这些黑洞的所在地，并更多地了解它们的起源。”

更妙的是，该合作项目甚至还捕捉到了一个黑洞与另一个令人困惑的物体合并的事件——这个物体恰好位于观测上的“质量缺口”范围内，该质量缺口将大质量中子星与小质量黑洞分开。已知最重的中子星质量是太阳的2.5倍，而已知最轻的黑洞质量约为太阳的5倍。在这个合并事件中，这个奇怪的物体质量似乎是太阳的2.6倍。

西北大学的天文学家Vicky Kalogera在LIGO新闻发布会上表示：“我们几十年来一直在等待解决这个谜团。我们不知道这个物体是最重的中子星，还是最轻的黑洞。但无论如何，它都打破了一项记录。”

引力波的未来是什么？

2024年，LIGO将进行另一次升级，使其灵敏度几乎翻倍，并使可监测的空间体积增加七倍。在本十年晚些时候，科学家和工程师计划启动第三代LIGO：LIGO Voyager。

世界各地的许多其他国家也正在加入这场国际引力波探测的 hunt。例如，印度希望在2020年代中期加入先进LIGO合作项目。

更长远的来看，到2030年代中期，欧洲航天局和NASA希望发射激光干涉空间天线（LISA），这是世界上第一个空间引力波探测器。LISA将为探测比LIGO和Virgo目前能够探测到的更广泛的引力波源样本打开大门。欧盟还在探索建造一个名为爱因斯坦望远镜的地下引力波探测器的可能性。

因此，无论引力波科学的未来如何，有一点是肯定的：爱因斯坦广义相对论的又一个证实——引力波的探测——最终为天文学家探索宇宙提供了一种全新的方式。