大约13亿年前，两个黑洞彼此靠近旋转，最终猛烈撞击。每个黑洞都将大约30倍太阳质量的物质压缩到一个极小的体积内，当两者接近光速时，正面撞击发生了。这次惊人的合并产生了新的黑洞，并产生了强大的引力场，其强度足以扭曲时空，形成波浪，以大约相当于可观测宇宙中所有发光恒星和星系能量总和的50倍的力量在太空中传播。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首次被探测到的，其波也是首次被观测到的。激光干涉引力波天文台（LIGO）的科学家在华盛顿特区举行的一场备受期待的新闻发布会上（这是在美国和欧洲至少同时举行的五场活动之一）宣布，历时半个多世纪的引力波搜寻终于成功了。
LIGO执行主任戴维·雷茨在发布会上说：“这真是一项科学领域的登月计划，我们做到了，我们登上了月球。”
哥伦比亚大学物理学家、LIGO团队成员绍博尔奇·马尔卡说：“有些人为这项搜寻付出了毕生精力，还有些人在有机会看到任何成果之前就去世了。真正令人感到欣慰的是，你验证了这项巨大工作的投入。而且不仅仅是你发现了什么，而是你给了所有人，给了全人类一些东西。”
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阿尔伯特·爱因斯坦在1916年首次基于他的广义相对论预言了引力波，但即使是他自己也对它们是否真实存在犹豫不决。科学家们从20世纪60年代开始寻找这些时空涟漪，但直到现在才有人成功测量到它们对地球的影响。LIGO的发现已被《物理评论快报》接受发表，这不仅为引力波提供了第一个直接证据，也为利用引力波研究产生它们的强大宇宙事件打开了大门。“这是一件大事，”安大略省圆周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。“它以非常有力的方式推动了基本引力理论的发展，并为我们提供了一个令人难以置信的工具来探测宇宙的非常深刻的问题。”
“有史以来建造的最复杂的系统之一”
超过1000名科学家参与了耗资10亿美元的LIGO实验，该实验由国家科学基金会资助。该项目使用两个探测器，一个位于华盛顿州，另一个位于路易斯安那州，来感知引力波穿过地球时发生的空间扭曲。每个探测器都形如巨大的L，腿长四公里。激光在腿中来回反射，从镜子上反射，令人惊讶的精确原子钟测量激光完成这段旅程所需的时间。通常，两条腿的长度完全相同，因此激光穿过每条腿所需的时间完全相同。然而，如果引力波穿过，探测器和下方的地面将在一个方向上无限小地膨胀和收缩，两条垂直的腿将不再具有相同的尺寸。其中一束激光将比另一束激光晚到一瞬间。
图表作者：JEN CHRISTIANSEN
LIGO必须极其灵敏才能测量到腿长变化的程度，这比质子直径的万分之一还小，或者比作银河系的跨度，就像足球与银河系跨度相比一样小。“这是人类有史以来建造的最复杂的系统之一，”马尔卡说。“要实现这种[灵敏度]，需要调整的旋钮太多了，需要对齐的东西也太多了。” 事实上，该实验非常精细，以至于不相关的事件，如头顶飞过的飞机、风吹动建筑物或探测器下方地面微小的地震位移，都可能以类似于引力信号的方式干扰激光。“如果我在控制室里鼓掌，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。研究人员仔细地剔除这些污染信号，并利用华盛顿州和路易斯安那州的探测器极不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，我们可以更加肯定我们看到的是来自地球外部的东西。”
LIGO于2002年开始首次运行，并在2010年之前进行了搜寻，但没有发现任何引力波。随后，科学家们关闭了实验，并升级了探测器的几乎每个方面，包括提高激光功率和更换镜子，以便进行后续运行，称为高级LIGO，于2015年9月18日正式开始。然而，甚至在那之前，实验就已经启动并运行了：信号于9月14日美国东部时间凌晨5点51分到达，比到达华盛顿州的探测器早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高出约三倍，并且设计为在未来几年内比第一代灵敏度高出约10倍。
期待已久
在此之前，引力波最强有力的证据间接来自于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。自从这个线索出现以来，天文学家们一直希望探测到引力波本身。“我当然一直期待着这一事件的发生，”泰勒说。“这是一个漫长的历史，我认为需要很长时间才能结出硕果的项目需要大量的耐心。现在是时候了。”
这项发现不仅证明了引力波的存在，也是对黑洞存在的迄今为止最强有力的证实。“我们认为黑洞存在于那里。我们有非常强有力的证据表明它们存在，但我们没有直接证据，”莱纳说。“一切都是间接的。鉴于黑洞本身无法发出引力波以外的任何信号，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们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，以及是否像理论所预测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，”哥伦比亚大学巴纳德学院的理论家詹娜·莱文说，她不属于LIGO合作组织。“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看到由其他灾难性事件产生的引力波，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。这项百年历史的理论经受住了时间的考验，但它仍然与支配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善的方向，”莱纳说。“与之前来自脉冲星观测的最强有力的检验相比，这使该理论向前推进了六个数量级。”
LIGO是众多将加入引力天文学新时代的观测站中的第一个。一个名为Virgo的类似项目将于今年在意大利上线，在本 decade 后期，日本的神冈引力波探测器（KAGRA）也将开始观测。地面望远镜项目，称为脉冲星计时阵列，旨在通过记录脉冲星发出的光在穿过被波浪拉伸的空间后到达地球的延迟来研究引力波。一个名为Lisa Pathfinder的航天器于去年12月发射，以测试拟议中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的引力波敏感。
莱纳说：“每次你为宇宙打开一扇新的窗口，我们总会发现新的事物。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。我们几乎正处在伽利略开始看到地球周围第一个物体的那一刻。它将对该领域产生巨大的影响。”