引力波再次来袭。科学家们在二月份宣布了他们里程碑式的发现，即时空中的这些涟漪，并在周三透露，他们探测到了更多——再次是由一对碰撞的黑洞引起的。当两个如此难以置信的致密物体相互碰撞时，所涉及的巨大引力是如此灾难性的，以至于它使时空变形，以强大的波浪形式弯曲时空，这些波浪清晰地穿越宇宙。第二项发现表明，最初的发现并非罕见的意外收获，而仅仅是未来更多发现的预兆，预示着一个新时代的到来，在这个时代，天文学家可以使用引力波，而不是光，来“看到”黑洞和隐藏宇宙的其他不可见组成部分。
这些波是阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论预测的，但在激光干涉引力波天文台 (LIGO) 团队去年九月观测到它们之前，从未被直接探测到。他们的后续发现激发了物理学家们的希望，他们很快将收集到足够的发现，以研究黑洞“碰碰车”的频率以及它们的起源。更多的发现还将帮助研究人员使用引力波在极端环境中检验相对论——可能证实该理论，甚至指向更深层次的自然规律。
路易斯安那州立大学的 LIGO 发言人加布里埃拉·冈萨雷斯说：“我们的目的不仅仅是探测到第一个引力波，或者证明爱因斯坦是对的还是错的——而是创建一个天文台。”“现在我们可以真正地说，LIGO 的目标已经得到了证明。”该发现已被《物理评论快报》接受发表，是 LIGO 的第二次确凿探测；该团队还遇到过一次“候选”事件，但由于太弱而无法确认，并在二月份与第一个决定性发现一起报告了该事件。LIGO 目前的成功很好地表明，它将能够稳定地发现引力波。亚利桑那州立大学理论物理学家劳伦斯·克劳斯说：“它使我们能够探索宇宙的字面意义上的黑暗面，他没有参与 LIGO。“引力波天文学将成为 21 世纪的天文学。”
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较小的黑洞
根据科学家的计算，新发现的引力波始于大约 14 亿年前，当时两个黑洞——一个大约是太阳质量的 14 倍，另一个大约是太阳质量的 8 倍——逐渐相互靠近并最终撞击在一起。这次撞击产生了一个新的黑洞，其质量是太阳质量的 21 倍——母黑洞中缺失的质量以引力波的形式转化为能量。与 LIGO 的首次探测（来自两个更大的碰撞黑洞，每个大约 30 个太阳质量）相比，这次合并产生的引力波频率更高，并且“可见”时间比最初发现中涉及的引力波更长。在那种情况下，科学家们只观察到黑洞彼此绕行一到两个轨道，但在这里他们能够追踪到这些物体在碰撞前的最后 27 个轨道。“这使得能够更好地检验广义相对论，并更好地表征黑洞的参数，”冈萨雷斯说。
这一次，研究人员还能够测量黑洞的自旋速率，并发现至少较大的那个肯定在旋转，可能达到黑洞最大理论自旋的 20% 左右。西北大学的 LIGO 团队成员 Vicky Kalogera 说：“在第一次探测中，看起来两个黑洞可能是不旋转的，所以这是一个新的发现。”
周三宣布的引力波于 2015 年 12 月 26 日到达 LIGO——就在该天文台于 9 月 14 日看到其第一个信号之后不到三个月。LIGO 使用两个探测器——一个在路易斯安那州，另一个在华盛顿州——来捕捉当引力波穿过地球时发生的时空挤压和膨胀。这两个探测器都是巨大的 L 形，腿长四公里。科学家们使用镜子将激光束在腿上来回反射，并测量完成行程所需的时间。在正常情况下，两条腿的长度相同，两条光束的传播时间完全相同。但是，如果引力波通过，镜子之间的空间将在一个方向上微小地膨胀和收缩，并且两条垂直的腿将短暂地具有不相等的长度，导致其中一个激光束比另一个激光束晚到达一小部分秒。
先进 LIGO 在 2015 年 9 月至 2016 年 1 月的初始运行中，已确认两次引力波探测，并看到一次候选事件。第二次运行计划于今年晚些时候开始。图片来源：LIGO
这种变化是无穷小的——为了探测到波，LIGO 必须能够测量小于质子直径万分之一的长度差异。这项耗资 10 亿美元的实验现在正式称为先进 LIGO，是自 1960 年代以来一直在酝酿的一个项目的升级版本，并于 2002 年首次启动。它今年早些时候的最初发现使科学界和公众都为之振奋，并为该实验的创始人赢得了 2016 年卡弗里天体物理学奖和 突破奖以及许多其他荣誉。它激发了数十篇后续理论论文，分析了该发现的各个方面，从探索黑洞与暗物质之间可能存在的联系，到讨论它们是否根本不是黑洞，而是虫洞。哥伦比亚大学的 LIGO 团队成员 Szabolcs Márka 说：“最有趣的工作是在 LIGO 之外完成的。”“科学应该这样运作。”
引力波天文学黎明之后
先进 LIGO 现已完成其从 9 月到 1 月的初始观测运行。其探测器目前已离线进行升级，科学家计划在 7 月进行测试运行。如果进展顺利，第二次为期约六个月的实时运行可能会在夏末开始。与此同时，研究人员继续分析第一次运行的数据。除了黑洞碰撞外，物理学家还希望找到由中子星产生的引力波——中子星是以前恒星的极小而致密的残骸，其中所有的质子和电子都被紧紧地挤压在一起，以至于它们基本上合并形成中子。如果两颗中子星碰撞在一起，理论上会引发引力波，而一颗旋转的中子星如果有点不对称，一侧可能有突出物，也可能产生引力波。佐治亚理工学院物理学家劳拉·卡多纳蒂说：“那不是像黑洞碰撞那样的爆炸性事件——它会产生微弱得多的引力波，他是 LIGO 数据分析委员会主席。“那是一项长期的搜索——需要时间——现在仍在进行中。”
随着团队收集更多数据，研究人员希望能够更多地了解黑洞双星对是如何产生的。也许大多数来自最初成对的恒星，然后死亡，变成黑洞，仍然相互绕轨道运行。另一种情况表明，双星诞生于密集的恒星团中，当黑洞在死亡之前可能以单星开始，然后陷入彼此的引力之中。“这是我最主要的兴趣——我们能否分辨出这些双星黑洞实际上是如何在现实中形成的？”Kalogera 问道。“这些机制中是否有一种占主导地位，还是更像是混合？”
LIGO 发现的引力波越多，就越能更好地检验它们是否似乎符合广义相对论的预测。尽管大多数科学家预计它们很可能会符合——毕竟，该理论迄今为止已经通过了所有考验——但物理学家们很想看到某种与相对论的偏差，从而指向关于宇宙的更微妙的真理。这种差异可能为设计一种与量子力学兼容的引力理论提供线索，量子力学是当前微观领域的统治规则。“到目前为止，我们还没有发现与广义相对论不一致的地方，”卡多纳蒂说，“但如果我们开始看到异常现象——这只能通过更高的统计数据来实现——我们可能会开始探索超越广义相对论的领域。”
无论如何，科学家们希望 LIGO 的前两项发现仅仅是该实验漫长而富有成效的未来的开始。“已经有三代人为此工作，”Márka 说，“至少还会有三代人。我们才刚刚走到一半。这难道不美妙吗？”