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2016年2月11日，LIGO的负责人大卫·瑞兹（David Reitze）在美国国家科学基金会（NSF）华盛顿总部的新闻发布会上向全世界宣布了一个激动人心的消息：“We had detected gravitational waves！”（我们探测到了引力波！）这一具有里程碑意义的发布顿时让全世界达到了沸腾状态。100年前，爱因斯坦的广义相对论预言了引力波的存在，历经百年探索，人类终于首次直接探测到了引力波，证实了最后一项预言。

试运行时，发现了黑洞合并的信号

关于这次发现，瑞兹博士认为：“伽利略在400年前发明了天文望远镜来观测天体，开辟了天文学新时代。这次我们成功探测到了引力波，同样具有里程碑式的意义，将开启引力波天文学的大幕。”

本次的引力波是于当地时间2015年9月14日5点51分探测到的，是由经过升级改造、灵敏度进一步提升后的先进LIGO（简称aLIGO）在试运行仅仅2天之后发现的。科学家将两台探测器捕获的信号进行了对比，最终认为它们是由引力波导致的相同振动（右页左下图）。

本次探测到的引力波的初始频率（波每秒振动的次数）为35赫兹，接着逐渐提升到了250赫兹。换算为波长的话，则是从大约8600公里缩短到了1200公里左右。科学家认为，这次探测到的引力波是由相互绕转的两个黑洞（双星）逐渐靠近，最后碰撞并合在一起时所产生的。模拟结果显示，发生碰撞的两个黑洞的质量分别是太阳质量的36倍和29倍，总质量为太阳质量的65倍。不过，合并后的黑洞质量却只有太阳质量的62倍。科学家认为，损失的那3个太阳质量所产生的巨大能量以强大引力波的形式被释放到了宇宙空间。

图1. 双黑洞

本次探测到的引力波是由相互绕转的两个黑洞释放出来的，图片为双黑洞的想象图。位于黑洞背景上的星体图像在强大的引力作用下看上去好像扭曲了。研究认为，正如想象图所示的那样，本次探测到的引力波是由距离很近的两个黑洞慢慢靠近，最终碰撞合并在一起时所产生的。

根据爱因斯坦著名的质能方程E=mc²，物质的质量（m）可以转换成能量（E，其中c为光速）。即便是微不足道的1克物质，其蕴含的能量也相当惊人，足以将整个城市炸毁。可想而知，3个太阳质量的亏损释放出引力波的能量会是多么巨大，其威力简直无法想象！据LIGO负责人介绍，引力波辐射的最大功率是可观测到的整个宇宙中电磁辐射总功率的50倍。

探测到来自13亿光年之外的极其微弱的波动

引力波通过时将导致空间产生非常微小的波动。LIGO此次探测到的最大空间波动仅为0.000000000000000000001（10-21），即每米空间仅变化10-²¹米。

两台探测器彼此相距3000公里，它们探测到引力波的时间仅仅相差了0.007秒，科学家根据这一信息大致确定了引力波波源的位置。即，在大麦云（在南半球可以观测到）所在的方向上，在距离地球13亿光年之遥的地方存在着释放出引力波的天体。

图2. 两个激光干涉仪探测到的引力波

左图显示了LIGO的两个激光干涉仪所探测到的空间波动的大小以及叠加了它们探测到引力波的时间的图形。相距3000公里之遥的两台探测器探测到的数据显示，其振动方式几乎完全一致。因此，科学家可以确定这个信号不是地面噪音产生的振动，而是引力波引起的空间波动。此外，迄今为止的模拟结果表明，这种波形的引力波是在两个黑洞合并时产生的。LIGO的两台探测器探测到引力波的时间相差0.007秒。根据这一时间差，科学家大致确定了引力波的波源位于哪里（右图）。本次探测到的引力波波源位于图中粉红色区域内的概率为90%。位于其他颜色区域内的概率随着范围的缩小而越发降低。研究认为，引力波来自距离大麦云（图中显示位于南天区）不太远的方向。

利用光来检测引力波到来所导致的空间伸缩

引力波是空间伸缩以波的形式向周围传递的一种现象。当我们用手指拨动浮在水面的树叶时，水面上会泛起波纹，一圈圈向外传递。广义相对论认为，当具有质量的物体加速移动时，其导致的空间波动会像水面上泛起的波纹那样向四周扩散，这就是引力波。不过，引力波是向四面八方扩散的，这一点与水面上的波纹有所不同。此外，引力波是以自然界的最大速度——光速（光在真空中的速度，每秒约30万公里）传播的。

科学家认为，人类晃动身体时也会产生引力波。不过，这时的引力波非常微弱，很难探测到。实际上的探测目标是那些质量极大、密度极高的天体因剧烈运动所发出的引力波。具体来说，就是LIGO这次成功探测到的两个黑洞的合并、中子星等天体之间的合并等。

那么，怎样才能探测到因天体剧烈运动而产生的引力波呢？激光干涉仪是目前广为认可的一种探测方法。LIGO所用的就是这种方法。

激光干涉仪的工作原理如下：首先，从激光光源发出的光束被一分为二，分别进入不同方向的两条干涉臂中，并在反射镜之间来回“奔跑”（LIGO的干涉臂长度为4公里）。若有引力波通过，便会引起空间的伸缩变形，反射镜之间的距离会发生改变，所以，这一方向上的激光行进距离也会相应变化。通过检测光程差，可确定是否有引力波“来访”。干涉臂的长度越长，激光来回奔跑的次数越多，越容易探测到引力波。

图3. 引力波的测定原理（激光干涉仪）

首先，从激光光源发出的光束被分成两个方向（镜A与镜B的光路，①）。两个方向的激光各自撞上一面反射镜被反射回来，重新汇聚后射向光探测器。通过调整反射镜的位置，可以使得汇聚后的激光在抵达光探测器之前由于干涉而互相抵消（看不到光）。干涉是指两束光的波峰与波峰重叠而增强，波峰与波谷重叠而减弱（或相互抵消）的现象。当引力波通过探测器时，会引起空间伸缩，导致两束激光“跑过”的路程发生变化（②）。这样一来，波峰与波谷的位置就会错位，在抵达光探测器之前重新汇聚后的两束光将无法相互抵消，这时光的强度会发生变化，从而得以确认有引力波通过。

（本文发表于《科学世界》2016年第4期）