再次探測到引力波意義何在?

新浪科技訊 北京時間6月16日凌晨消息，你還記得嗎?就在今年的2月11日，激光干涉引力波天文台(LIGO)的科學家們舉行新聞發布會，宣布他們首次探測到引力波信號，這一消息轟動了整個世界。

故事發生在2015年9月14日格林尼治時間09:50:45(北京時間17:50:45)，位於美國華盛頓州漢福德和路易斯安那州列文斯頓的兩座LIGO探測設施均接收到一個來自編號為GW150914的引力波信號。首次探測結果獲得的數據明確指向一個結論，即GW150914信號是由兩個黑洞的合併過程產生的。從分析圖上可以清晰看到，根據LIGO漢福德觀測站所獲得數據對於引力波模式的重建與根據廣義相對論原理構建的雙黑洞合併釋放引力波波形模式兩者之間存在驚人的吻合。

通過將實測數據與理論波形預測進行對比，使得科學家們能夠檢驗廣義相對論是否能夠完全描述這一事件。結果表明廣義相對論完美通過了檢驗:所有的觀測數據均與廣義相對論的預測完全吻合。

檢驗愛因斯坦的預言

引力波是時空的漣漪，它是由宇宙中的一些最為劇烈的事件產生的，如大質量緻密天體的碰撞或合併事件。引力波的存在早在1916年便已經由愛因斯坦預言，當時愛因斯坦證明了加速下的大質量物體將會扭曲時空，併產生從該源頭髮出的時空漣漪。這種「漣漪」將以光速穿過宇宙，攜帶著關於產生它們的那次災難性事件和引力本質的珍貴信息。

當愛因斯坦最早提出他的廣義相對論的時候，他徹底革新了我們原先對於時間與空間的概念理解。我們此前一直認為空間是恆定而不變的，物質和能量存在於其 中。但愛因斯坦的理論指出空間實際上與能量和質量之間都是相互聯繫的，並且隨著時間推移空間也在發生變化。如果只存在一個質量物體，靜止地存在於時空之中 (或者處於勻速運動狀態)，那麼它所處的時空不會發生變化。但如果你加入第二個質量物體，那麼這兩個物體之間就會發生相互運動，互相會向對方施加一個加速 度，在這一過程中也就將造成時空結構的改變。更加重要的是，由於存在一個大質量粒子在引力場中運動，廣義相對論指出這一大質量物體將會被加速，並釋放一種 特殊的輻射:引力輻射。

這種引力輻射與你所知的其他任何種類的輻射都不同。它會以光速穿越空間，但它本身又是空間中的漣漪。它從被加速的物體帶走能量，這就意味著，如果這兩個質量 物體處於相互運行的軌道之中，那麼隨著時間推移這個軌道將會逐漸收縮，這兩個質量物體之間的距離將逐漸縮短。不過不要太過擔心，對於像地球圍繞太陽運行這 樣一個系統，相對而言這兩個天體的質量還太小，而兩者之間的距離又非常巨大，因此在引力波耗散能量的條件下，這個軌道也將需要經過10的150次方年才會衰減崩潰，如此長的時間早已遠遠超過了宇宙的年齡，事實上這也遠遠超過了已知所有恆星的壽命!然而對於相互繞轉的黑洞或中子星而言，它們之間存在的軌道衰減效應則已經被觀測到了。

科學家們認為宇宙中可能還存在著我們尚未探測到的更高能的事件，如黑洞的相互合併。這類事件應該會產生某種特徵信號，而這樣的信號是可以被「先進LIGO」系統捕捉到的。

洞察宇宙陰暗面

亞利桑那州立大學理論物理學家勞倫斯·克勞斯(Lawrence Krauss)表示:「引力波探測將讓我們得以窺探宇宙的黑暗一面。引力波天文學將成為21世紀的天文學。」科學家們能夠運用這些數據來推測產生引力波信號GW150914的天體系統的一些特徵，包括這兩個黑洞在相互合併之前各自的質量大小，合併後形成的單一黑洞質量大小以及這一雙黑洞系統到地球的距離遠近等等。

對首次引力波探測信號的分析結果顯示，GW150914是由兩個質量分別為36倍以及29倍太陽質量的黑洞合併而成的，合併後形成的單一黑洞質量約為62倍太陽質量。另外，我們還推定這一合併後產生的黑洞存在自轉，這種自轉的黑洞最早是在1963年由數學家克爾(Roy Kerr)提出的。因此可以說，LIGO探測設施此次是探測到了發生在很久很久之前，在一個遙遠星系中發生的一次重大事件!

如果我們將合併之前和之後的黑洞質量進行比較，就會發現這一黑洞的合併過程將大致相當於3個太陽的質量(約合600萬億億億千克)轉化成了以引力波形式散發出去的能量，其中絕大部分在一瞬間便被輻射了出去。相比較之下，太陽每秒鐘只會將自身質量的大約5萬億億分之一轉化為電磁輻射。事實上，GW150914所發出的引力波的輻射功率要比整個可觀測宇宙中所有恆星和星系的光度加在一起的總和還要多出10倍。

第二次探測到引力波信號的意義

而在北京時間6月16日的凌晨1:15， LIGO科學合作組(LSC)和Virgo合作組的科學家們再次舉行新聞發布會，報告他們第二次探測到引力波信號的消息。這是他們自從今年2月份宣布探測到引力波信號以來的首次發布會。

和LIGO的第一次探測相比，此次探測到的信號頻率更高並且持續的時間也更長，表明參與合併的黑洞質量更小。測算顯示兩個黑洞的質量分別為14倍和8倍左右太陽質量，合併之後形成一個質量約為21倍太陽質量的黑洞。

另外，在首次引力波探測信號中，科學家們只觀測到兩個黑洞碰撞合併之前的最後一圈或是兩圈繞轉過程，而此次科學家們一共追蹤到兩個黑洞合併之前的最後27圈相互繞轉。研究人員表示:這將讓我們能夠更為精確地檢驗愛因斯坦的廣義相對論並對黑洞的各項參數做更加精確的估算。

此次，研究組同樣有機會對參與合併黑洞的自旋情況進行觀測，結果顯示至少那個質量較大的成員黑洞存在自旋，速率約為黑洞自旋理論最大速率的20%左右。LIGO項目組成員，美國西北大學的維基·卡羅基拉(Vicky Kalogera)表示:「如果光從首次引力波探測信號來看，參與合併的兩個黑洞似乎是不存在自旋的，那麼從這個角度來說，此次屬於新發現。」

此次發布會的一開始，LIGO科學合作組發言人，美國路易斯安那州立大學的加布艾拉·岡薩雷斯女士女士(Gabriela González)就開門見山地宣布了再次探測到引力波的消息。並且這次事件被探測到的事件點也很有趣，正好是在聖誕節剛過，因此這一發現也被很多人視作是上帝給予辛勤工作的科學家們的一份「聖誕節特別禮物」。

再次探測到引力波信號的另外一大意義就在於，它能夠幫助我們估算黑洞合併事件的發生概率，因為一次探測可能只是孤例，而此番再次探測到引力波信號則證明引力波信號的探測並非罕見事件，有理由預期未來還將有更多探測案例的出現，從而真正開啟一個嶄新的引力波天文學時代!

請閉上眼睛，再次想像一下: 14億年前，在遙遠的宇宙深處有兩個黑洞發生相互合併，這一過程產生的時空漣漪穿越廣袤宇宙，終於被地球上的我們探測到。這究竟是科幻還是現實?(晨風)