爱因斯坦的引力波终于被发现

在阿尔伯特·爱因斯坦预言引力波存在的一百年后，科学家们终于在时空中发现了这些难以捉摸的涟漪。

在一份备受期待的声明中，先进激光干涉仪引力波天文台(LIGO)的物理学家于2月11日宣布，他们的双探测器已经听到了距离地球约400百万秒差距(13亿光年)的两个黑洞碰撞产生的引力“响声”^1，2．

”女士们先生们，我们已经探测到了引力波，”LIGO实验室执行主任大卫·雷茨说，在华盛顿特区的新闻发布会上说．“我们做到了!”

其中一个黑洞的质量约为太阳的36倍，另一个黑洞的质量约为太阳的29倍。LIGO研究小组估计，当它们无情地相互螺旋旋转时，它们在时空中合并成一个更大质量的引力池，其质量为62个太阳质量。

”这些惊人的观察结果证实了包括爱因斯坦在内的许多理论工作广义相对论英国剑桥大学的物理学家斯蒂芬·霍金说。霍金指出，爱因斯坦本人从来不相信黑洞的存在。

这是科学家观测到的第一次黑洞合并。这一剧烈事件以引力波的形式暂时辐射出的能量比可观测宇宙中所有恒星在相同时间内以光的形式发射的能量还要多。

当声波作为可听到的声音播放时，声波发出的声音是准确无误的“唧唧喳喳”-一个迅速上升的音调-然后是一个“铃声”，来自合并的黑洞的辐射模式。记录信号的“响度”也提供了合并发生时间的粗略测量:6亿至18亿年前。

这项工作将发表在一系列的论文物理评论快报¹和天体物理学杂志》上。

物理学家说，这一历史性的发现可能很快会让人获得诺贝尔奖引力波天文学的新领域在这次活动中，科学家们将通过收听引力波来了解更多有关产生引力波的物体的信息，包括黑洞、中子星和超新星。

英国伯明翰大学的理论物理学家Ilya Mandel说:“这只是一个更大、更令人兴奋的发展的第一步。”他说，引力波将加入γ射线、x射线和无线电波的行列，成为“我们理解宇宙的工具箱的一部分”。

这也是LIGO实验长期以来寻求的胜利花了十年时间寻找信号在2000年之前进行了2亿美元的升级提高了双探测器的灵敏度一个在路易斯安那州的利文斯顿，另一个在华盛顿州的汉福德。

发现浪潮

这一发现本身是在升级版高级LIGO正式开始采集科学数据之前完成的。上午11点50分。中欧时间9月14日，在实验的第一次观测运行中，德国汉诺威马普引力物理研究所的LIGO物理学家马可·德拉戈在他的电脑上看到了一个奇怪的信号。

实时分析数据的软件表明，两个干涉仪都看到了一种类似鸟类啁啾的波，其音调迅速增加。不到一个小时，这个消息就传到了德拉戈的老板，物理学家布鲁斯·艾伦那里。录音好得令人难以置信。“当我第一次看到它的时候，我说，‘哦，这显然是一针，’”艾伦说。

这是一个振荡，开始于35周期每秒(赫兹)，并迅速增加到250赫兹。然后变得混乱，很快就平息下来;整件事在四分之一秒内结束了。至关重要的是，两个探测器几乎同时发现了它——利文斯顿先发现，汉福德7毫秒后发现。这种延迟表明了波浪是如何横扫地球的。

其他引力波探测器——意大利比萨附近的处女座干涉仪和汉诺威附近的GEO600干涉仪——当时没有工作，因此无法确认信号。如果高级处女座一直在运行，它可能也会探测到这一事件，它的发言人，罗马大学的物理学家Fulvio Ricci说。LIGO的科学家们已经进行了一系列仔细的检查，以确保信号是真实的，并且意味着他们所认为的那样。

过去，LIGO团队的一些高级成员通过秘密地在数据流中插入假引力波的“盲注入”来测试研究团队是否能够区分真实和假信号，从而测试该团队验证潜在发现的能力。但9月的探测发生在盲注之前，因此它被认为是宇宙中真实天体物理现象的信号。

为了确定引力波的来源，研究人员必须对散布在地球各地的不同机器发现的信号进行三角测量。当LIGO探测器与Virgo或GEO600一起工作时，科学家们希望能够更好地定位未来的引力波源。在日本的另一个干涉仪正在开发中，在印度的第三个LIGO站点已经提出。探测器在地理上的更大分布将增强人们对任何信号的信心。

直接检测

爱因斯坦的广义相对论预言，任何以足够的力扰动时空结构的宇宙事件都应该产生在宇宙中传播的引力涟漪。地球应该被这样的波淹没，但当它们到达地球时，它们产生的扰动是微小的。

1974年，麻省大学阿默斯特分校的物理学家约瑟夫·泰勒和拉塞尔·赫尔斯通过观察一对相互旋转的中子星发出的射电闪光，间接证实了引力波的存在;闪光时间的变化符合爱因斯坦关于引力波如何将能量从事件中带走的预测。这一发现为他们赢得了1993年的诺贝尔物理学奖(见:百年来对引力波的探索——在图片中”)。

但是直接探测引力波还需要等待高级LIGO达到的灵敏度，它可以探测到时空的拉伸和压缩，小到十分之一²²——相当于从太阳到半人马座阿尔法星(距离太阳系最近的恒星)之间的头发宽度的变化。

LIGO的双干涉仪在4公里长的真空管两端的镜子之间反射激光束，这些真空管彼此垂直设置。引力波穿过时会改变其中一个臂的长度，导致激光束稍微不同步。

这些机器由美国国家科学基金会出资，由位于帕萨迪纳的加州理工学院和位于剑桥的麻省理工学院的团队设计和制造。加州理工学院的基普·索恩和罗纳德·德雷弗，以及麻省理工学院的雷纳·韦斯是最初的创始人。

现在有1000多名科学家加入了LIGO合作组织。通过研究引力波，下一代研究人员希望探索全新的物理领域，包括强场引力、早期宇宙以及物质在极高密度下的行为。

霍金说，他想用引力波来检验他的面积定理:“最终黑洞的面积大于内部黑洞面积的总和。”他补充道:“观察结果满足了这一点。”

“这是一个新时代真正的黎明，”加州理工学院的天文学家Mansi Kasliwal说。