科学家首次检测到两个黑洞碰撞产生的引力波，开启了天文观测新纪元。
*图1. 两个黑洞旋转融合的数字模拟图。围绕在黑洞旁边的彩色螺旋线代表了引力辐射的振幅；蓝色线代表黑洞轨道，绿色线代表黑洞的自转。*
数十年来，科学家一直希望他们能够侦测到天文事件所引发的引力波。引力波为爱因斯坦在1916年所预言，其被描述为时空几何结构的一种振荡畸变，但从未直接被观测到。现在，在一篇杰出的学术论文中，来自激光干涉引力波天文台（Laser Interferometer Graviational-wave Observatory，LIGO）的科学家声称他们观测到了来自引力波的信号[1]。经过分析，LIGO的研究人员和意大利Virgo干涉仪的合作者们认为，引力波来自于两个旋转融合的黑洞（图1），每一个黑洞的质量大约是太阳的25倍。他们的发现首次找到了双黑洞系统能够形成且融合的证据。
引力波由运动的质量产生，就像电磁波，它们也以光速传播。在引力波行进的过程中，会对垂直于它们行进方向上的时空进行拉伸和压缩（视频1）。然而，探测引力波极为困难，因为就算最来自天文事件最强的引力波，科学家们认为也只能造成大约$10^{-21}$数量级的时空相对位移。
此次实验采用的是“改良版”LIGO，由两个探测器构成，一个在华盛顿州的汉福特，另一个在路易斯安那州的列文斯顿。这两个探测器都是迈克尔逊干涉仪，由两个长达4公里的光学腔——或称悬臂——构成，排成L型。如果没有引力波的影响，激光在两个光学悬臂中到达探测器时保持严格的180°相位差，这时没有信号产生。垂直于探测器平面传播的引力波会破坏这一相消干涉。在前一个半周期内，引力波会缩短其中一个光学悬臂而将另一个加长；在后半个周期内，这个过程被反转过来（视频1）。悬臂长度的变化会改变两束激光的相位差，破坏相消干涉，使光探测器检验出信号。LIGO的研究人员可以利用这样两种干涉来排除其他干扰信号（例如地表震动带来的波），这种干扰信号一般不能同时作用于两个探测器。
LIGO实验系统的灵敏度非常优异，以至于精度可以达到两个光学悬臂长度相差一个原子核量级都能够感知。对LIGO实验组来说，最大的挑战是探测器噪音，主要来自于地面震动波，热运动以及光子入射噪音。这些扰动可以轻易掩盖我们想要寻找的引力波微弱信号。2015年，LIGO完成了升级，针对频率在100-300 Hz的波，优化了3-5个参数标准，而针对60 Hz以下的波，优化了超过10个参数标准。这些改进使得探测器更容易分别不同的波动来源，这对寻找引力波尤其关键。
视频1
视频1：（要在网站上观看。）LIGO干涉引力波探测器示意图。激光源放出的激光被分成两束，一束沿着垂直方向的干涉仪光学悬臂传播，另一束沿着水平方向悬臂传播。当没有引力波影响时（左上图），这两束光在悬臂里往返的时间一致，形成相消干涉，这时光探测器没有信号。当引力波通过探测器时，光行进的时间改变了，导致相消干涉被破坏，光探测器中则出现信号。（在实际实验中，这一畸变非常小，在此为了鲜明表述而夸张了。）嵌入图：被拉长的圆环表示引力波对时空的影响。
2015年9月14日，改进版LIGO刚刚工作两天，实验人员就发现了用肉眼都可以分辨的强烈信号（图2）。信号中最强烈的部分持续了约0.2秒，在两个探测器中均发现了此信号，信号噪声比为24。研究人员将这世界上第一个引力波信号很恰当的称作GW150914（Gravitational Wave 日期），此时距离爱因斯坦广义相对论发现100周年纪念日仅仅不到两个月。
仅仅在几十年前，观察引力波还被当做不可能完成的任务。事实上，在上世纪50年代，物理学家们还在围绕引力波进行激烈的争论，例如引力波是否具有真实的物理意义，是否能携带能量等。争论的转折点是1957年在北加利福尼亚教堂山（Chapel Hill）举行的一次会议[2,3]。在那次会议上，理论学家菲利克斯·皮拉尼（Felix Pirani）指出，牛顿第二定律与测地线方程之间存在着联系，后者描述了广义相对论中的潮汐力效应。这两者之间的联系让皮拉尼得以向人们展示在引力波中两个相邻粒子的相对加速度提供了一个在物理上有意义的检测方法。不幸的是，这位向人们阐释引力波物理意义与如何利用实验发现它的奠基人在2015年12月31日去世了，仅仅就在LIGO发布他们的结果之前。
与会另一些主要物理学家如约瑟夫·韦伯（Joseph Weber），理查德·费曼（Richard Feynman）和赫尔曼·邦迪（Hermann Bondi），对推广皮拉尼的思想起了重要作用。尤其是费曼和邦迪，将皮拉尼的观察转化成了“粘性珠子”的思想实验。他们提到，如果小珠子在粘性棒上受到引力波的作用而加速，那么小珠子也一定会因为摩擦力将热量传递给粘性棒。这个热量传递的过程证明引力波必须携带能量，那么原则上就是可探测的。
然而实验物理学家并没有立刻对寻找引力波实验提起兴趣。正如皮拉尼在他关于引力辐射讲义里所备注的那样，韦伯认为在实验室里不可能做出有意义的实验，因为发现引力波所需要的实验数量级太小。几乎在同时，威廉姆·富勒（William Fowler，其后获得了诺贝尔物理学奖）建议，大质量类星体双星系统——在这里是双黑洞系统——散发的能量可能会以引力辐射形式表现出来。然而皮拉尼认为，直接对引力波进行观察对理论物理来说是“不必要或者不充分的”，声称除非物理学家找到方法将引力量子化，否则现有的引力波理论“和真实物理没有太大关系”[4]。
图2. [1] 2015年9月14日，两个LIGO探测器都探测到了类似的干涉信号。上方的图是汉福德（左上方）和列文斯顿（右上方）的探测器。下方的图显示数字模拟出来的预期双黑洞系统产生的引力波信号。
真正使这个领域振奋的是1969年韦伯发表的论文，他在论文中声称自己用共振梁探测器探测到了引力波辐射（参见2005年12月22日的聚焦）。这一发现充满着争议，因为物理学家们没办法重复韦伯的结果，到了70年代中期，大部分物理学家都认为韦伯应该是错的。然而，在几年之后，一位名叫莱纳·魏斯（Rainer Weiss）在备课的时候无意中发现了皮拉尼的引力波探测方案。皮拉尼建议用光信号去检测当引力波通过的时候两个粒子间的位置改变。而莱纳·魏斯将皮拉尼的方案做了关键性改进，成了今天LIGO实验的基础：魏斯建议在迈克尔逊干涉仪中测量光相位改变，而不是测量光脉冲时间[5]。罗纳德·德拉弗（Ronald Drever），基普·索恩（Kip Thorne）和其他科学家对这一构想演进至今日的LIGO做出了重要的贡献。（参见文献[2]以总览发展历史。）
现在，当初说的“数量级”问题终于摆在眼前。为了确证引力波信号，研究者们应用两种不同的数据分析方法。第一种是在最佳的噪音本地估计下，看光探测器中是否有导致超过本底能量的信号，但是这一方法不能确定信号的来源。通过第一种分析，研究人员得到的结果是，这一短暂的未经建模的信号其统计显著性大于4.6个标准差。第二种方法会比较仪器输出信号（信号和噪音）和利用广义相对论模拟两个黑洞融合的信号。从这所谓的匹配筛选，研究人员总结出他们最后的观察显著性达5.1个标准差。
最令人激动的是将观察信号和广义相对论的数值计算信号相比较，使得LIGO的研究人员能够估计出描述引力波源的参数。引力波源由一个双黑洞系统构成，两个黑洞的质量分别为36和29个太阳。因为这些黑洞可能是有恒星碰撞形成的，故称作恒星质量黑洞，这是人们迄今为止发现的质量最大的恒星质量黑洞。而且，除了黑洞系统，其他的双天体系统不足以解释观察到的信号。（最有力的竞争者可能是双中子星或者黑洞-中子星系统。）这个双性系统距离地球大概13亿光年，或者说，光度距离为400百万秒差距（红移z～0.1）。研究人员估计，大概有4.6%的双黑洞系统能量以引力波形式表现出来，使得剩余部分的黑洞以62倍太阳质量以及无量纲0.67的自旋旋转。
从引力波信号中，实验人员可以进行两项关于广义相对论的后续测试实验，并能够确定引力子的质量边界——引力子是一种假设的量子性粒子，用来传播引力。在第一个测试实验中，他们用广义相对论估计了黑洞剩余部分的质量和自旋。接着他们进一步利用融合而成的黑洞产生的引力波振荡确定了剩余黑洞质量和自旋[6]。他们发现从振荡中得出的数值与之前的计算相吻合。第二项检测实验分析了引力波相位，这里的引力波由相互向内旋转的黑洞产生。相位可以写成以v/c展开的无穷级数，其中v是黑洞的轨道运行速度，文章的作者们证明了，展开项的系数与广义相对论的预言是相一致的。通过假设带有质量的引力子会使引力波相位得到修正，他们也确定出了引力子的质量上限为$1.2times 10^{-22} eV$, 从而改进了我们之前从太阳系和双脉冲星系统得到的结果。这些发现的细节，作者们讲会在之后发表的论文中再讨论。
在物理学中，我们为LIGO的发现而喝彩，但最好的结果还没有出现。当Kip Throne接受BBC的采访时说道，首次发现引力波并不是LIGO的主要目标。LIGO的动机是打开观察宇宙的新窗口。
引力波的发现使人们能够对天体进行更精确地观察研究。例如，两个逐渐融合的黑洞自旋蕴含了它们形成的动力学奥秘。尽管改良的LIGO也还不能精确的测量出自旋的数量级，但是随着信号模型的改进，信号分析技术的进步，或者更加灵敏的探测器的出现，都是获得更好结果的有利因素。一旦LIGO达到了设计灵敏度要求，就能得到更好的GW150914引力波结果，相较于现在的信噪比提高3倍，允许实验人员更精确得确定引力源的参数，例如质量和自旋。
位于日本的改良Virgo，KAGRA，以及可能在印度建造的第三个LIGO，这些探测器工程会形成一个在地探测器网络，使得科学家们可以定位太空中的引力源。这可以告诉我们到哪里去寻找“传统”天文望远镜所搜寻的电磁辐射和中字。这种将各种观测工具综合起来进行观测的方法构成了一个新的研究领域，称作“多信使天文学”[7]。不久之后我们也会收集到来自LISA探险者号的第一个观测结果，eLISA是一个天基干涉仪，搭载于探险者太空飞船上。eLISA可以提供比在地探测器更深刻的宇宙信息，使我们可以研究更大质量黑洞的形成以及在大时空尺度下的强引力作用。
托改良LIGO的福，我们进入了引力波天文学的新纪元，以往我们只企图直接观测，现在我们能够“听”到引力波的声音了。LIGO能够“听”到来自双黑洞融合产生的引力波信号是非常重要的，因为引力波无法通过电磁辐射检测发现。在不远的将来，引力波观测将对天体物理学带来耀眼的影响。多探测器系统将能够使我们研究宇宙中黑洞融合的频度，并检验天体物理学中双星系统的形成理论[9,10]。在这方面，LIGO给我们带来了可喜的信息，对于双星系统形成过程，LIGO很可能已经的到了相关的结果；初步的分析显示，如果这一事件证明有天体物理学的起源，那么很有可能就是来自于双黑洞系统。对于强信号的探测也能让物理学家检测“无毛理论”，这个理论说黑洞的结构和动力学只取决于其质量和自旋。对黑洞引力波的观测或许也能告诉我们引力的本质。在黑洞附近引力极强的情况下，引力真的像爱意斯坦所预言的那样吗？假如我们修正了爱意斯坦的引力模型，是否能解释暗能量和宇宙膨胀力呢？而现在，对这些问题的回答才刚刚开始[11,12]。
References
[1] B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and the Virgo Collaboration), “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger,” Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016).
[2] D. Kennefick, Traveling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves (Princeton University Press, Princeton), p. 2007[Amazon][WorldCat].
[3] P. R. Saulson, “Josh Goldberg and the Physical Reality of Gravitational Waves,” Gen. Relativ. Gravit. 43, No. 12, 3289 (2011).
[4] F. A. E. Pirani, “Introduction to Gravitational Radiation Theory,” in Lectures on General Relativity, 1964, Volume 1. Brandeis Summer Institute of Theoretical Physics, edited by A. Trautman, F. A. E. Pirani, and H. Bondi (Prentice-Hall, Englewood, NJ, 1965), p. 249-273.
[5] R. Weiss, “Electromagnetically Coupled Broadband Gravitational Antenna,” Quarterly Progress Report of the MIT Research Laboratory of Electronics, No. 105, 54 (1972), available online at https://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/56271/RLE_QPR_105_V.pdf.
[6] E. Berti, V. Cardoso, and A. O. Starinets, “Quasinormal Modes of Black Holes and Black Branes,” Class. Quantum Grav. 26, 163001 (2009).
[7] B. P. Abbott et al., “Prospects for Observing and Localizing Gravitational-Wave Transients with Advanced LIGO and Advanced Virgo,” Living Rev. Relativity 19, 1 (2016).
[8] P. Amaro-Seoane et al., “eLISA: Astrophysics and Cosmology in the Millihertz Regime,” arXiv:1201.3621.
[9] M. Dominik, E. Berti, R. O’Shaughnessy, I. Mandel, K. Belczynski, C. Fryer, D. E. Holz, T. Bulik, and F. Pannarale, “Double Compact Objects. III. Gravitational-Wave Detection Rates,” Astrophys. J. 806, 263 (2015).
[10] S. Stevenson, F. Ohme, and S. Fairhurst, “Distinguishing Compact Binary Population Synthesis Models Using Gravitational Wave Observations of Coalescing Binary Black Holes,” Astrophys. J. 810, 58 (2015).
[11] N. Yunes and X. Siemens, “Gravitational-Wave Tests of General Relativity with Ground-Based Detectors and Pulsar-Timing Arrays,” Living Rev. Relativity 16, 9 (2013).
[12] E. Berti et al., “Testing General Relativity with Present and Future Astrophysical Observations,” Class. Quantum Grav. 32, 243001 (2015).
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B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016)
Published February 11, 2016
(译言网 译者： RichardMay 原作者：Emanuele Berti)