黑洞合并视频（黑洞合并gif）

几十年来，科学家们一直希望能够探测到引力波。听& rdquo剧烈的天体物理事件。引力波的存在是爱因斯坦在1916年预言的，可以用时空几何中的振荡和扭曲来描述，但之前从未被直接探测到。现在，在一篇优秀的论文中，科学家告诉我们他们是如何在激光干涉仪引力波天文台(LIGO)探测到引力波的。他们的发现为双黑洞系统可以在宇宙中存在并合并的观点提供了第一个观测证据。

移动的质量可以产生引力波，引力波类似于电磁波，也以光速传播。引力波在传播过程中，会在垂直于传播方向的平面上压缩或拉伸时空。然而，由于它们引起的扭曲非常小，因此极难探测到:即使是天体物理事件产生的最强引力波，也只能导致10-21个数量级的长度变化。

升级后的LIGO包括两个探测器，每个探测器都是由两个长度为4千米的光学谐振腔组成的迈克尔逊干涉仪。干涉仪的设计保证了在没有引力波信号时，激光通过两臂到达光电探测器时的相位差仅为180 & deg，所以不会产生信号。沿着垂直于探测器平面的方向传播的引力波会破坏这种完美的相消干涉。在它的前半个周期，引力波会拉长一只手臂，缩短另一只手臂；在后半周期，这种变化将会逆转。这种长度变化会导致激光束之间的相位差，从而使光能信号能够到达光电探测器。有了两个这样的干涉仪，LIGO可以消除只出现在一个探测器上的杂散信号(如本地地震波)。

LIGO具有极好的灵敏度:它可以检测到小于一个核直径的两个臂长之间的长度变化。LIGO最大的挑战是探测器的噪声，主要包括地震波、热运动和光子散粒噪声。这些干扰很容易掩盖引力波产生的微弱信号。2015年完成的升级将探测器的灵敏度从100 Hz提高到300 Hz，提高了3到5倍，60 Hz以下的灵敏度提高了10倍以上。这些改进加强了探测器在更远处对信号源的灵敏度，这对探测引力波非常重要。

2015年9月14日，在升级后的LIGO开始运行的前两天内，研究人员检测到一个足够强的信号，肉眼可以直接看到。这个信号最强的相位，编号GW150914，持续了0.2秒，两地的探测器都捕捉到了这个信号，联合信噪比为24。巧合的是，这一天距离爱因斯坦广义相对论诞生100周年不到两个月。

就在几十年前，人们还一直认为探测引力波是不可能完成的任务。20世纪50年代，物理学家们还在争论引力波是否是物理实体，是否能携带能量。这场辩论的转折点是1957年在北卡罗来纳州教堂山召开的会议。在那次会议上，理论物理学家费利克斯& middot皮兰尼指出，牛顿第二定律和测地线方程之间存在联系，后者描述了引潮力在广义相对论框架中的作用。皮拉尼说，由于这种联系，引力波中相邻粒子的相对加速度可以提供一种物理上有意义的可行方法来观察引力波。不幸的是，这位为我们思考和探测引力波奠定基础的科学家，如今在LIGO科学家宣布探测到引力波的几周前(也就是2015年12月31日)去世了。

出席会议的其他杰出科学家包括约瑟夫& middot韦伯，理查德& middot费曼、赫尔曼& middot创可贴在皮兰尼的思想发展过程中发挥了作用，尤其是费曼和创可贴，他们把皮兰尼的观察发展成了著名的& ldquo粘珠& rdquo思维实验。他们认为，如果珠子在引力波的作用下沿着一根粘粘的棍子加速，一定会通过摩擦将热量传递给棍子。这个热传递证明了引力波一定是携带能量的，所以原则上引力波是可以被探测到的。

人们对开始这样的实验没有直接的兴趣。1964年，皮兰尼在一篇关于引力辐射的学术报告中指出，韦伯认为有意义的实验室实验& ldquo几个数量级都不可能& rdquo。与此同时，威廉& middot福勒(未来的诺贝尔奖获得者)提出了所谓的大型双类星体(我们称之为黑洞双体船)所发出的能量中有很大一部分是引力波辐射的观点。然而，皮兰尼认为，对引力波的直接观测对于证明一个相应的理论来说，既不必要也不充分。他认为，如果物理学家不明白如何量化引力，这个理论将& ldquo跟物理关系不大& rdquo。

真正刺激这个领域的是韦伯在1969年发表的一篇论文。在这篇论文中，韦伯说他用共振棒探测器探测到了引力波。这一发现引起了争议，因为这位物理学家无法复制他的实验结果。到20世纪70年代中期，大多数人认为韦伯可能是错的。然而，几年后，麻省理工学院的年轻教授Reina & middot维斯在准备相对论的课程材料时看到了皮兰尼关于探测引力波的提议& mdash光信号用于捕捉波信号通过时相邻粒子的位置变化。他对这种方法做了一个关键性的改变，于是LIGO诞生了:与其用短光脉冲计时，不如用迈克尔逊干涉仪测量相位。

现在，它曾经被认为是& ldquo几个数量级都不可能& rdquo事情成真。为了证明信号的本质是引力波，研究人员使用了两种不同的数据分析方法。第一种方法是确定光电探测器捕获的额外能量是否是由信号引起的，而不考虑信号本身的来源。从该分析中，他们证实了该瞬态未建模信号的统计显著性大于4.6个标准偏差。第二种方法是将设备输出(信号加噪声)与广义相对论计算的黑洞组合信号进行比较。通过匹配滤波的方式，研究人员证实了观察到的信号的统计显著性大于5.1个标准差。

最令人兴奋的结论来自于观测信号的振幅和相位与数字模拟中相对论预测的比较，可以帮助研究人员估计描述引力波源的参数。此次探测到的引力波波形符合一种双黑洞系统，其中两个黑洞的质量分别是太阳的36倍和29倍。这种恒星质量的黑洞是我们观测到的同类黑洞中最大的。此外，除了黑洞，没有任何两体系统有足够的质量产生观测到的信号。最可信的竞争者是双中子星，或者一颗中子星和一个黑洞。研究人员估计，这个双天体系统距离地球13亿光年，约4.6%的能量以引力波的形式辐射出去；合并黑洞的质量相当于62个太阳质量，无量纲旋转0.67。

利用这个信号，研究人员进行了两次广义相对论的兼容性测试，给出了引力子& mdash中等导向力的假想粒子& mdash添加了体量边界。在第一次测试中，他们利用广义相对论从信号的早期旋前段和旋后段计算出残余黑洞的质量和自旋，得到了相似的值。第二个测试用于分析两个黑洞向内螺旋并相互靠近时产生的波相位。这个阶段可以写成v/c的级数展开，其中V代表旋转黑洞的速度。他们证实了这种膨胀的系数与广义相对论的预测是一致的。通过假设有质量的引力子可以改变波的相位，他们给出了引力子质量的上限:1.2×104；10-22eV/c2，与我们太阳系和双脉冲星观测得到的测量结果相当精确。

LIGO的两个干涉仪在2015年9月14日探测到了类似的信号。上面两张图是在汉福德(左上)和利文斯顿(右上)探测到的信号，下面两张图是数字模拟中两个黑洞合并产生的信号。

在物理学方面，我们为LIGO的发现感到高兴，但更好的发现仍有待于未来。就像Kip & middot正如索恩在最近的BBC采访中所说，首次记录引力波从来就不是LIGO的主要目标，他们的动力一直来自于对打开宇宙新窗口的向往。

引力波探测将为我们提供新的、更精确的天体物理源测量，比如两个合并黑洞的旋转模式及其形成机制。虽然升级后的LIGO无法精确测量这些旋转的幅度，但更好的信号模型、更好的数据分析技术和更灵敏的探测器可以使这种测量成为可能。升级后的LIGO一旦能达到设计灵敏度，就能探测到信噪比比GW150914高3倍的双天体系统。这些信噪比较高的信号可以用来更精确地确定信号源的参数，如质量、自旋等。

即将到来的地球探测网络，包括处女座的升级版，日本的KAGRA，以及可能在印度着陆的第三个LIGO，可以帮助科学家确定天空中的信号来源，并告诉我们该怎么做& ldquo传统& rdquo收集电磁辐射或中微子的望远镜指向哪里？结合这些观察工具将在研究领域形成一个新的基础，即& ldquo多信使天文学& rdquo。很快，& ldquo探路者& rdquo欧空局的引力波探测器& ldquo激光干涉仪空间天线& rdquo(eLISA)将返回第一批数据。与地面上的探测器相比，eLISA可以使我们更深入地凝视宇宙，并使研究更大黑洞的形成机制和宇宙远处引力场的行为成为可能。

现在，我们正在进入一个引力波天文学的新时代:有了这个新的观测工具，就像有了视觉一样，我们有了听觉。升级后的LIGO探测到的第一个信号来自两个黑洞的合并，意义重大。这些天体是我们用电磁辐射看不见的。在不久的将来，引力波天文学对天体物理学的影响将是令人眼花缭乱的。许多测试结果可以帮助我们研究宇宙中黑洞合并的频率，并测试描述两个天体形成的天体物理模型。强信号的探测还可以使物理学家检验所谓的无属性定理，即黑洞的结构和动力学仅由其质量和自旋决定。观察来自黑洞的引力波也可能向我们揭示引力的本质。

黑洞周围引力场特别强的地方，引力效应真的如爱因斯坦预言的那样吗？如果修改爱因斯坦的引力理论，能否解释暗物质和宇宙的加速膨胀？现在，我们才刚刚开始回答这些问题。