和LIGO一起傾聽天籟之音

思柯

和LIGO一起傾聽天籟之音

思柯

100年前，愛因斯坦用廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在，認(rèn)為引力是彎曲時(shí)空的產(chǎn)物，引力波就是大質(zhì)量物體相互影響時(shí)產(chǎn)生的時(shí)空漣漪。如今，科學(xué)家終于探測(cè)到了引力波存在的直接證據(jù)。2016年2月11日，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）的科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)了13億光年之外的兩個(gè)黑洞碰撞產(chǎn)生的引力波的信號(hào)，這個(gè)被稱作GW150914的引力波是在去年9月14日被LIGO檢測(cè)到的。

理論上，宇宙中應(yīng)該不乏引力波的痕跡。像超新星爆發(fā)、中子星超速運(yùn)轉(zhuǎn)、黑洞雙星或雙中子星旋近這些外力擾動(dòng)時(shí)空的宇宙事件都將產(chǎn)生引力波。但是，直到20世紀(jì)60年代初，科學(xué)家才開始嘗試對(duì)引力波的觀測(cè)。60年代末，麻省理工學(xué)院的雷納·維斯首先想到通過分離激光束以及干涉的方法有可能尋找到引力波存在的證據(jù)。這也就是LIGO的大致工作原理。

1992年，美國(guó)科學(xué)基金會(huì)（NSF）通過了建造LIGO的2.72億美元撥款計(jì)劃。LIGO由兩臺(tái)探測(cè)器組成，分別位于漢福德市和利文斯頓市。在LIGO中，一束激光被分束器分成兩束，沿著彼此垂直的4千米通道傳播，隨后兩束激光來(lái)回反射并最終在探測(cè)器上重組。正常情況下兩束激光彼此抵消；當(dāng)引力波進(jìn)入LIGO時(shí)，通道輕微變形，光的傳播距離發(fā)生變化，重組時(shí)就不會(huì)抵消，從而在探測(cè)器上產(chǎn)生一個(gè)可測(cè)量的信號(hào)。

LIGO計(jì)劃的主要目的就是探測(cè)引力波，在2002到2010年的運(yùn)行第一階段并未能探測(cè)到任何引力波，但NSF仍然對(duì)LIGO的進(jìn)展?jié)M意，并再次劃撥2.05億美元用于升級(jí)LIGO。LIGO經(jīng)歷了20多年的漫長(zhǎng)歲月并已耗資超過5億多美元。近年來(lái)，引力波探測(cè)成為熱點(diǎn)，包括VIRGO引力波探測(cè)項(xiàng)目、GEO600引力波觀測(cè)站以及IPTA國(guó)際脈沖星計(jì)時(shí)陣等等，都希望早日探測(cè)到引力波，甚至還發(fā)生了BICEP2望遠(yuǎn)鏡宣稱探測(cè)到原初引力波的烏龍事件。凡此種種使得LIGO的科學(xué)家面臨很大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。

然而，LIGO終于兌現(xiàn)其承諾。引力波信號(hào)的發(fā)現(xiàn)，也意味著一些重要的天體物理研究成果的誕生，包括它也代表了黑洞存在的首次觀測(cè)證據(jù)。科學(xué)家對(duì)宇宙的探測(cè)幾乎都是通過電磁光譜獲得的，95%的宇宙仍然無(wú)法用傳統(tǒng)的天文學(xué)手段觀察到，引力波將幫助我們以前所未有的方式巡視時(shí)空，這就意味著一個(gè)全新的天文學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)開啟。升級(jí)后的LIGO、在建的愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡以及位于太空的eLISA等等都已整裝待發(fā)。

LIGO目前已進(jìn)入新一輪的改進(jìn)工作，探測(cè)器正在一步步接近其最大的靈敏度，到夏末時(shí)系統(tǒng)將再次上線，傾聽我們幾乎難以想象的來(lái)自宇宙深處的天籟之音。“我們正在打開一個(gè)與以往完全不同的觀察宇宙的新窗口，雖然我們還不知道通過窗口我們將看到什么，”基普·索恩說(shuō)，“但它一定會(huì)給我們帶來(lái)更大的驚喜。”