2016年2月11日，科学家宣布激光干涉引力波天文台（LIGO）探测到了由黑洞合并产生的时空涟漪。大约13亿年前，两个黑洞越旋越近，直到它们猛烈撞击。每个黑洞都将大约相当于我们太阳质量30倍的物质压缩到一个微小的体积中，它们的正面撞击发生在两者接近光速时。这次惊人的合并产生了新的黑洞，并创造了一个如此强大的引力场，以至于它以波的形式扭曲了时空，这些波以大约比可观测宇宙中所有闪耀的恒星和星系的总和还要强50倍的能量在空间中传播。
令人难以置信的是，这类事件被认为在太空中很常见，但这次碰撞是同类事件中的首次探测，其波也是首次被观测到。在备受期待的LIGO华盛顿特区会议（在美国和欧洲至少同时举行的五个活动之一）上，科学家们宣布，历时半个多世纪的引力波搜索终于成功了。
LIGO执行主任戴维·雷泽在发布会上说：“这真是一项科学上的登月计划，我们做到了，我们登上了月球。”
关于支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻业 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
致谢：Jen Christiansen
阿尔伯特·爱因斯坦在1916年首次根据他的广义相对论预测了引力波，但即使是他也在犹豫它们是否真的存在。科学家们从1960年代开始寻找时空中的这些涟漪，但直到现在才有人成功地测量到它们对地球的影响。LIGO的第一个发现，已被《物理评论快报》接受发表，不仅为引力波提供了第一个直接证据，而且还为利用它们研究产生它们的强大宇宙事件打开了大门。“这是一件大事，”安大略省 Perimeter 理论物理研究所的物理学家路易斯·莱纳说，他与LIGO项目无关。“它以非常强大的方式推动了引力基本理论的发展，并为我们提供了探索宇宙深层问题的绝佳工具。”
在最初的观测之后，LIGO团队又宣布了两项引力波的发现，其中包括2016年晚些时候提出的一个信号，该信号由质量小于原始双黑洞的两个黑洞产生，以及今年春天报告的另一个信号，该信号来自两个黑洞，其距离约为第一次碰撞的三倍。
“有史以来最复杂的系统之一”
超过1000名科学家在耗资10亿美元的LIGO实验中工作，该实验由国家科学基金会资助。该项目使用位于华盛顿州和路易斯安那州的两个探测器来感知引力波穿过地球时发生的空间扭曲。每个探测器的形状都像一个巨大的L形，腿长四公里。激光在腿部来回反射，从镜子上反射，令人惊讶的是，精确的原子钟测量了完成这段旅程所需的时间。通常，两条腿的长度完全相同，因此光线穿过每条腿所需的时间也完全相同。但是，如果引力波通过，探测器和其下方的地面将在一个方向上无限小地膨胀和收缩，并且两条垂直的腿将不再具有相同的大小。其中一个激光将比另一个激光晚到一瞬间。
LIGO必须具有令人难以置信的灵敏度才能测量腿部长度的这种变化，这种变化小于质子直径的万分之一，或者小于银河系跨度中足球的大小。“这是人类有史以来建造的最复杂的系统之一，”马尔卡说。“有太多的旋钮要转动，太多的东西要对齐，才能达到[灵敏度]。” 事实上，该实验非常精细，以至于不相关的事件，例如飞过头顶的飞机、撞击建筑物的风或探测器下方地面中微小的地震位移，都可能以模仿引力信号的方式干扰激光。“如果我在控制室里拍手，你就会看到一个尖峰信号，”哥伦比亚大学LIGO团队的另一位成员伊姆雷·巴托斯说。研究人员仔细地排除了此类污染信号，并且还利用了华盛顿州和路易斯安那州的探测器不太可能在同一时间受到相同污染的影响这一事实。“通过比较两个探测器，我们可以更加确定我们所看到的是来自地球外部的东西，”巴托斯补充道。
LIGO于2002年开始首次运行，并搜索到2010年，但没有发现任何引力波。然后，科学家们关闭了实验，并升级了探测器的几乎所有方面，包括提高激光的功率和更换镜子，以便进行后续运行，称为高级LIGO，该运行于2015年9月18日正式开始。然而，即使在那之前，实验也在运行：信号于9月14日美国东部时间凌晨5:51到达，比到达华盛顿的探测器早7毫秒到达路易斯安那州的探测器。高级LIGO的灵敏度已经比最初的LIGO高出大约三倍，并且设计在未来几年内使其灵敏度比第一个迭代高出大约10倍。
期待已久
在此次发现之前，引力波最强有力的证据间接来自对超高密度自旋中子星（称为脉冲星）的观测。1974年，约瑟夫·泰勒和拉塞尔·赫尔斯发现了一颗围绕中子星旋转的脉冲星，后来的观测表明，脉冲星的轨道正在缩小。科学家们得出结论，脉冲星一定是以引力波的形式损失能量——这一发现为泰勒和赫尔斯赢得了1993年诺贝尔物理学奖。自从这个线索以来，天文学家们一直希望探测到波本身。“我当然期待这一事件很久了，”泰勒说。“这是一个漫长的历史，我认为需要这么长时间才能取得成果的项目需要大量的耐心。现在是时候了。”
这一发现不仅证明了引力波的存在，而且也是迄今为止对黑洞存在的最有力证实。“我们认为黑洞存在于那里。我们有非常强烈的证据表明它们确实存在，但我们没有直接证据，”莱纳说。“一切都是间接的。鉴于黑洞本身除了引力波外无法发出任何信号，这是证明黑洞存在的最直接方式。”
LIGO研究引力波特征的能力将使科学家能够以全新的方式研究黑洞。研究人员希望了解两个黑洞如何碰撞的细节，以及是否像理论所暗示的那样会产生新的黑洞。“我们谈论的是两个不发光的物体——它们完全是黑暗的，”巴纳德学院的理论家詹娜·莱文说，她不在LIGO合作组织之外。“在碰撞的细节以及引力波方面，你可以看到新黑洞的形成。” 该天文台还应该能够探测到其他灾难性事件产生的引力波，例如超新星爆发和两颗中子星的碰撞。
LIGO和未来的引力波实验还将使物理学家能够检验广义相对论。这个有100年历史的理论经受住了时间的考验，但它仍然与统治亚原子领域的量子力学理论相冲突。“我们知道广义相对论在某个时候应该会出现裂缝，而它显示裂缝的方式将引导我们的理论走向更完整的理论，”莱纳说。“与之前最强烈的测试（来自脉冲星的观测）相比，这使得该理论向前推进了六个数量级。”
高级LIGO现在正处于第二次观测运行中，并将于今年晚些时候开始关闭约15个月进行升级。科学家们预计将LIGO的灵敏度提高四到五倍，这将使其探测黑洞双星的频率比目前高约100倍。LIGO是许多将加入引力天文学新时代的观测站中的第一个。一个类似的项目，意大利的高级室女座实验，已经加入了LIGO，尽管它以较低的灵敏度运行。在本十年晚些时候，日本的神冈引力波探测器（KAGRA）将开始观测。印度的探测器计划也在进行中。称为脉冲星计时阵列的地面望远镜项目旨在通过记录脉冲星发出的光在穿过被波拉伸的空间后到达地球的延迟来研究引力波。名为丽莎探路者的航天器于2017年6月结束了其为期16个月的任务，以测试拟议的空间天文台的技术，该天文台将对来自超大质量黑洞碰撞的更长波长引力波敏感。
“每次你打开通往宇宙的新窗口，我们总是会发现新的事物，”莱纳说。“这就像伽利略将第一架望远镜指向天空一样。最初他看到了一些行星和卫星，但随着我们获得射电、紫外线和X射线望远镜，我们发现了更多关于宇宙的信息。我们几乎正处于伽利略开始看到地球周围第一个物体的那一刻。它将对该领域产生如此巨大的影响。”