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第9章 来自宇宙的声音引力波（第3页）

2016年初，德拉戈于2015年9月12日首次看到的信号被命名为GW150914。在团队之外，发现了某种重要东西的兴奋情绪正在逐步高涨。1月11日，克劳斯在推特上说：“我发过的关于LIGO的传言已经被独立的消息来源证实了。敬请期待!引力波可能已经被发现了!真是令人兴奋!”毫不奇怪，LIGO团队中的许多人都认为克劳斯是在厚颜无耻地抢风头。

2月8日，就在宣布将于2月11日星期四举行新闻发布会时，人们的兴奋达到了顶点。《物理评论快报》与发布会在同一时间发表了这一发现的论文。[169]

新闻发布会在华盛顿国家新闻俱乐部举行，于美国东部时间上午10点30分开始，现场提供了关于该项目的简短介绍和视频，帕萨迪纳加州理工学院的理论家基普·索恩（KipThorne）和麻省理工学院的赖纳·韦斯也都坐在台上。在过去的几十年里，虽然有1000多人参与了这个项目，但一般认为韦斯和索恩是LIGO的创始人。

LIGO副主任大卫·雷泽（DavidReitze）站了起来，身后的电视屏幕显示了两个黑洞的模拟图像。他打量着期待的听众，故意停顿了一会儿，想制造点气氛，然后才开始说：“女士们、先生们，我们已经探测到了引力波!我们做到了!”

“项目组中的很多人都曾怀疑引力波到底能否被测到。那东西应该非常微弱、极端渺小，可能永远都看不到，”韦斯说，“实际上这东西可大了，不用费多大力气就能看到。我一直告诉人们，我现在就想见见爱因斯坦!”

公众的兴趣完全超出了德拉戈的想象。在爱因斯坦预测引力波100年后，引力波的发现成为了重大的国际事件，难怪公众的情绪如此高昂。科学获得了全新的感官，就好比天生耳聋的人突然在一夜之间能听到声音了，这就是物理学家和天文学家的感受。从古到今，他们都是用眼睛和望远镜“看”宇宙的，而现在，他们第一次“听”到了宇宙。引力波就是“宇宙的声音”。

科学发现经常被媒体大肆宣传甚至炒作，但可以确定，自1609年伽利略将新奇的望远镜对准天空以来，2015年9月14日对引力波的探测是天文学最重大的发展。

德拉戈是历史上第一个目睹引力波识别标志信号的人。在他打开那封电子邮件之前，引力波已经在太空中传播了13亿年，没有人知道它的存在。“如果那天我先去吃午饭，而不是查看邮件的话，”德拉戈说，“第一个看到信号的就应该是别人，而不是我了。”

德拉戈坦率地承认，他是碰巧在正确的时间出现在了正确的地点。德拉戈说：“克里斯托弗·哥伦布（Christopherbus）抵达美洲大陆，成为第一个发现美洲大陆的人显然也是碰巧。大家都知道，任何事情要想取得成功，都需要很多人的共同努力，美洲大陆的发现如此，引力波的发现亦如此。就哥伦布而言，其成功与整艘船的船员是分不开的。”

2015年9月14日，两个黑洞合并产生的引力波使地球为之**漾。这两个黑洞是两颗大质量恒星超新星爆发后的遗迹。似乎近于怪论的是，当这样一颗恒星爆炸时，其核心会向内聚爆。事实上，内爆被认为是导致爆炸的原因。随着恒星核心坍缩的失控，引力不断增大，直到变得大到任何东西、甚至光都无法逃脱时，黑洞诞生了。

从本质上讲，黑洞又黑又小。因此，虽然事件视界望远镜通过遍布全球的射电天线网即将获得人马座A*的首张图像，但至今还没有人亲眼看到过它。人马座A*是银河系黑暗中心的一个相当于430万倍太阳质量的超大质量黑洞。[170]

黑洞存在的证据必然是间接的：通常观察到的是一颗或多颗恒星正以高得难以置信的速度绕着看不见的天体旋转。然而，2015年9月14日发现的引力波改变了这一切。由于这两个信号的特征与爱因斯坦的引力理论所预测的黑洞合并完全一致，因此确凿地证明了黑洞的存在。[171]

神奇的是，黑洞这个爱因斯坦并不相信的广义相对论的预测却被引力波证实了；而引力波是他确实相信的预测（或者说，他开始是相信的，后来不相信了，然后又再次相信了）。

2015年9月14日，LIGO截获的引力波信号来自2个巨大的黑洞，分别是太阳质量的29倍和36倍。在超新星爆发时，大部分恒星物质被抛入太空，只有相对少量的残余物质最终被吸进黑洞。事实上，根据天体物理学家的估计，这两颗生成黑洞的恒星质量至少是太阳的300倍。这样的恒星非常罕见，几乎不存在。然而，从理论上讲，有强有力的理由相信，大爆炸后形成的第一代恒星（我们的太阳是由前两代恒星的残骸衍生出的第三代恒星）比今天的类太阳恒星大得多。[172]如果LIGO探测到的黑洞真是最早一批恒星的遗迹，那就太神奇了!就好比走在伦敦的牛津街上，在熙熙攘攘的购物人群中突然发现了2个奇迹般幸存下来的罗马军团的士兵。要知道，自公元410年之后，罗马帝国的士兵们就已不复存在了。

这2个黑洞完全有可能相互绕行了几十亿年，其间一直在发射引力波。这些引力波消耗了二者的轨道能量，导致2个黑洞逐渐盘旋到了一起。在这期间，只有最后的十几次相互盘绕引起足够剧烈的时空扰动，产生的引力波才强大到能够被地球上的探测器探测到。这最后的十几次盘绕，每一次持续的时间只有1%秒左右。

这110秒长的引力波脉冲已经传播了13亿年，但是如果LIGO探测器晚启动1个月，就有可能错过这次机会。合作项目组似乎非常幸运，但是物理学家并不相信运气。LIGO在仪器启动后这么快就捕获了猎物，这一事实只能说明，黑洞合并是很常见的现象。事实证明，确实如此。

自从第一次发现黑洞合并以来，人们又发现了另外8起黑洞合并事件。最重要的是，在2017年8月17日探测到2颗中子星合并后产生的更弱、更持久的引力波脉冲。这样的恒星也是由超新星爆发而产生的。当恒星的核心质量不足以让引力把它一直挤压成黑洞时，就形成了中子星。一般来说，中子星的大小相当于珠穆朗玛峰，但密度非常高，只有一块方糖大小的中子星物质的重量就相当于地球上现有人类的总重量。

中子星有别于黑洞的关键之处在于，它不仅是时空的无底洞，而且是由真实的物质构成的天体。除了引力波，黑洞合并什么也不会产生，因为附近的所有物质在很久以前就被2个黑洞清理干净了；而中子星合并不仅产生引力波，而且会产生一个由极热的物质构成的火球。在2017年8月17日之后的几天里，大约70架对不同类型的光敏感的地面和太空望远镜观测到了火球的辐射，最重要的是发现了高能γ射线的强烈闪光。这一下子就解开了好几个宇宙之谜。[173]

比如20世纪60年代末，美国将卫星发射到轨道上，试图探测苏联秘密核试验产生的γ射线。令他们惊讶和意外的是，大约每天都能探测到一次γ射线，但不是从地面发射上来的，而是从太空中投射下来的。这些γ射线暴源（gammarayburster）的发现直到20世纪80年代才透露给天文学界，而直到90年代，人们清楚地认识到γ射线暴源距离地球非常遥远时，才有人提出最常见的γ射线暴源可能是2颗中子星合并的结果。2017年8月17日，人们从引力波源中发现了γ射线爆发有力地证实了这一理论。

这次观测到的γ射线也揭示了一些其他东西。不同原子的原子核会以不连续的能量产生γ射线，这为每种原子提供了独特的指纹。天文学家这一次看到的γ射线是突然出现的金子的指纹，在这个火球里锻造出的金子的质量大约是地球质量的20倍。

天文学家早就知道，所有比氢和氦重的元素都是在恒星的核聚变炉中形成的。当恒星爆发时，会把这些元素喷洒到太空中，从而被纳入一代接一代的恒星中。尽管核天体物理学家已经成功地确定了几乎所有92种自然存在的元素的起源，但并不清楚金元素是哪里来的。现在，他们终于知道了。身边常见的物质与遥远的宇宙之间，还会有更惊人的联系吗？如果你有一枚金戒指或一条金项链，要知道，其中的原子都是在2颗中子星的灾难性合并中锻造出来的。而且，那次合并出现的时间远比地球的诞生更久远。

LIGo团队曾预测，探测器的灵敏度将在2017年首次达到探测中子星合并信号的水平。事实证明，他们的预测是正确的。然而，该团队并没有预料到的是存在着一种威力大得多的黑洞的合并，大到灵敏度较低的2015年的探测器也可以轻易地发现。

所有的发现都是用一种超凡的仪器完成的。尽管传说中每个LIGO站都有1把由激光制成的4000米长的“尺子”，通过尺的伸缩探测路过的引力波。但实际上每个站点的“尺子”都是2把，被称作“干涉仪”的双臂，呈“L”状排列。之所以称之为干涉仪，是因为LIGO利用干涉现象测量光通过的路径的微小变化。

当两列波（可以是光波、水波或其他任何形式的波）相遇时，如果一列波的波峰与另一列波的波峰重合，则两个波峰相互增强，这称为相长干涉；如果一列波的波峰与另一列波的波谷相遇，则两者相互抵消，这就是所谓的相消干涉。

在LIGO的每个站点，一束激光被一分为二。一半通过干涉仪的一条真空管臂，另一半通过另一条真空管臂。在每条臂的末端都有一面悬空的镜子将光线反射回来，使这两束激光叠加起来，然后测量光的亮度。关键是，如果其中一条臂相对于另一条被拉伸，则这两列光波就不会精确同步。这时，如果其中一列波的波峰错开到与另一列波的波谷重合的程度，两列光波就会相互抵消，测量到的亮度就会下降到零。事实上，这两列光波哪怕只有微小的失调，也会在干涉时使光的亮度发生明显的变化。于是采用这种方法，通过激光相遇时在波长上相对位置的微小改变，可以分辨出一条臂相对于另一条臂非常小的长度变化——对于4000米长的激光臂来说，可以测到千分之一毫米的变化。

虽然测量4000米长的激光臂上如此小的变化已经让人感到够神奇了，但是在2015年9月14日探测到的引力波需要测量的变化更加微小。每条臂交替伸缩的距离不是以千分之一毫米计算的，而是以单个原子直径的一亿分之一来计算的。当你意识到1000万个原子首尾相连才能有一个打印出来的小数点那么大时，你才会赞叹引力波探测所取得的惊人成就。[4]“信号是无穷微弱的，来源是巨大的，仪器的敏感性是极精准的，回报是巨大的。”珍娜·莱文（JannaLevin）在《黑洞蓝调》（BlackHoleBlues）一书中写道。[174]

现在，人们的目标不仅是提高LIGO探测器的灵敏度，而且是在全世界范围内启用更多的探测器，以便更好地定位引力波爆发的源头。欧洲的Virgo仪器在LIGO之后不久就开始运作，共同做出了一些发现，如中子星的合并，日本的神冈引力波探测器（KamiokaGravitatioor）将于2020年加入网络，印度的一个探测器也将于2025年加入。

中子星和黑洞的合并，并没有让曾希望能够探测到它们的LIGo的实验人员感到惊讶。但他们为宇宙打开的那扇引力波的窗口，却为人类提供了看到没人预料到的、让人非常惊讶的东西的可能性。LIGO的物理学家、苏格兰政府的科学顾问希拉·罗文（SheilaRowan）说：“我们的千强联手国际团队做出的这些发现仅仅是个开始，未来还会有更多精彩的故事。”

从光的故事中，人们可以得到启示。从前，人类只知道用眼睛能看到光；然后人们发现，这只是电磁光谱的一小部分，除了彩虹的颜色，还有无数其他“看不见的颜色”；当人类学会用人造的眼睛观察宇宙时，看到了拥有诸如γ射线、X射线、紫外线、红外线、射电波等这样丰富多彩的宇宙。各种意想不到的事物呈现在人类面前：γ射线暴源和脉冲星、类星体和超大质量黑洞，以及大爆炸火球遗留的余晖和围绕其他恒星的行星，据最新统计，已经有4000余颗。

现在，随着LIGo的成功，人类正站在天文学新纪元的黎明。韦斯说：“我们知道黑洞和中子星，但我们更希望通过它们发射的引力波，进一步看到其他现象。”

这就好像人类曾经是聋人，现在获得了听觉，但刚获得的听觉还比较粗糙和原始。目前，将已有的“听力”发挥到极致，人类能听到的声音相当于远处隆隆的雷声，但还听不到类似鸟鸣、婴儿啼哭或美妙音乐的宇宙之声。当LIGo以及世界各地的其他引力波设备的灵敏度获得提高之后，谁能预知当人类聆听宇宙的交响乐时，还会发现什么奇妙的事情呢？

[1]“场”就是在空间的每一点都有值的东西。它可能是1个数字，例如，空气中每个点都有1个一定大小的数字来代表大气压力；或者它可以是1个矢量，就像在磁场中，每个点都有一个代表力的大小的数字和一个代表力的方向的箭头。把这个场想象成一个带箭头的场。

[2]一个城镇的位置可以描述为伦敦以北30千米，伦敦以东30千米，也可以描述为东北方向42。4千米。两者是不同坐标系对同一位置的表述。

[4]爱因斯坦预测了激光的存在。用爱因斯坦的一种预测（引力波）证实了爱因斯坦的另一种预测（黑洞），使用的依然是根据爱因斯坦预测（激光）制成的仪器，这是多么令人震惊啊!