科學助力 神器也神奇

在過去近10年的時間里，盡管圈子非常小，但一個全新的天文學領域正逐漸出現，那就是引力波天文學。和傳統天文學使用天文望遠鏡對宇宙進行觀測不同，引力波探測器使用的是激光和反射器，研究人員會讓激光在兩塊呈直角方位的反射鏡之間反射，并觀察兩束光波疊加時所呈現的干涉條紋特征。這正是位于美國的“激光干涉引力波天文臺”（LIGO）所采用的做法。在2002—2010年運行時期，LIGO設施驗證了其設計概念的可行性，隨后經歷了長達5年的關閉升級。直到2015年9月份，升級后的設施重新啟用并被稱作“先進LIGO”。

兩條長臂的魔力

“先進LIGO”是有史以來人類建造的最先進的引力波觀測設施。該項目有超過1 000名頂尖科學家參與其中，因而也使其成為規模最為龐大的引力波搜尋國際合作研究項目。從本質上而言，“先進LIGO”系統采用的探測手法是相當簡單而直接的，它利用了引力波輻射的本性和它最重要的性質之一。引力波會造成空間的拉伸或壓縮，其頻率和強度取決于形成這種引力波的天文事件所具有的一系列特征，如2個相互繞轉天體各自的質量大小、它們兩者之間的間距以及這一系統距離地球的遠近。“先進LIGO”設施包括2條互相垂直的長臂，長度均為4 000米。將一束激光用分光鏡分成夾角為90°的2束，然后2束激光分別被4 000米外的反射鏡反射回來并發生干涉，并且這樣的反射可以來回進行多次，從而大大增加激光運行的路徑長度。由于頻率和波長完全一致，在正常情況下，這兩束激光應該是完全相同的，但是如果存在引力波作用，則會對這兩束激光的波長頻率產生影響，從而導致兩束激光在疊加的干涉條紋上出現改變。這樣的改變能夠讓科學家們判斷兩個繞轉天體各自的質量大小、它們之間的間距以及這一系統與地球之間的距離等豐富的信息。

“先進LIGO”包括兩處設施，分別位于美國西北部（華盛頓州）以及美國東南部（路易斯安那州）。如果這兩處設施均觀測到同樣的信號，那么我們就能夠肯定我們的確觀測到了引力波信號。當前版本的LIGO系統對于質量在一倍太陽質量到數百倍太陽之間的2個黑洞合并過程可能產生的引力波信號最為敏感，且其探測能力可以覆蓋距離地球數百萬光年之外——在這樣一個巨大的空間范圍內，符合條件的黑洞合并事件每年至少會發生幾次。

“新”字當頭 意義非凡

引力波信號的成功探測，使人們共同見證了一個全新天文學時代的開端。這一消息所承載的意義將遠遠超出其本身——這是對愛因斯坦廣義相對論的全新檢驗，也是人類歷史上對引力輻射首次成功的直接探測。這將是一個全新的天文學領域，一個不需要望遠鏡的新的天文學領域，它將引領我們打開理解黑洞、中子星和其他難以采用傳統方法進行觀測的天體類型的全新視野。