首次直接探測(cè)到引力波

王晉嵐

2016年2月11日，來自美國激光干涉引力波天文臺(tái)（LaserInterferometer Gravitational.WaveObservatory，LIGO）的科學(xué)家宣布，人類首次直接探測(cè)到了時(shí)空的漣漪——引力波。這一引力波信號(hào)（現(xiàn)被稱為GW150914）于協(xié)調(diào)世界時(shí)（coordinated universal time，UTC）2015年9月14日9：51，即北京時(shí)間當(dāng)日17：5l由分別位于路易斯安那州利文斯頓和華盛頓州漢福德的一對(duì)探測(cè)器觀測(cè)到，置信度高達(dá)5.1（『。相關(guān)結(jié)果于當(dāng)日發(fā)表于Physical Review Letters。這一探測(cè)證實(shí)了愛因斯坦的廣義相對(duì)論的一個(gè)重要預(yù)言，并打開了一扇探測(cè)宇宙的全新窗口。

1915年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論場(chǎng)方程，標(biāo)志著廣義相對(duì)論的誕生。次年，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了場(chǎng)方程的一個(gè)波動(dòng)解，預(yù)言了引力波的存在。同樣在1916年，施瓦西（K.Schwarzschild）發(fā)現(xiàn)了場(chǎng)方程的另一解，后來人們意識(shí)到此解描述了黑洞這一奇特天體；1963年，克爾（R.Kerr）進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)黑洞解。

1970年代和1980年代，赫爾斯（R.Hulse）和泰勒（J.Taylor）發(fā)現(xiàn)了引力波存在的第一個(gè)間接證據(jù)：他們觀測(cè)到由一個(gè)脈沖星和一個(gè)中子星組成的雙星系統(tǒng)。根據(jù)廣義相對(duì)論，系統(tǒng)由于輻射引力波應(yīng)導(dǎo)致脈沖星的軌道緩慢縮小。經(jīng)多年觀測(cè)，他們發(fā)現(xiàn)軌道變化率與廣義相對(duì)論的預(yù)言高度一致。

此次LIGO觀測(cè)到的信號(hào)則是人類第一次直接觀測(cè)到引力波本身，這得益于LIGO的高靈敏度。在LIGO獨(dú)立而相距遙遠(yuǎn)的兩個(gè)天文臺(tái)中，各有一臺(tái)全長4千米的L形干涉儀。干涉儀將激光分成兩束，兩束激光在兩個(gè)干涉臂之間來回運(yùn)行。根據(jù)廣義相對(duì)論，當(dāng)引力波經(jīng)過探測(cè)器時(shí)，干涉臂長度會(huì)有微小的變化。LIGO可以探測(cè)到小至質(zhì)子直徑萬分之一的微小變化。

基于對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析，以及與理論計(jì)算的比照，此信號(hào)源于13億年前質(zhì)量分別為36：；太陽質(zhì)量和29=：太陽質(zhì)量的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)黑洞的并和。這也是人們第一次觀測(cè)到雙黑洞并和事件。