编者按：
LIGO（激光干涉引力波天文台）昨晚举行了一场举世瞩目的新闻发布会，宣布第一次“听”到了时空中的涟漪——来自两个黑洞最后并合瞬间的引力波。它证实了阿尔伯特·爱因斯坦在1915年的广义相对论的一个重要预言,并打开了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口。为此LIGO写了一篇新闻稿，堪称经典。
文 | LIGO科学合作组织
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有史以来,科学家第一次观测到了时空中的涟漪——引力波,这一来自遥远宇宙的灾变性事件所产生的信号。这一探测证实了阿尔伯特·爱因斯坦在1915年的广义相对论的一个重要预言,并打开了一扇前所未有的探索宇宙的新窗口。
起源于剧烈天体物理过程的引力波携带着关于其源头和关于引力的独一无二的信息。物理学家们确信他们探测到了来自两个黑洞最后并合瞬间的引力波。这两个黑洞最终形成了一个质量更大快速旋转的黑洞。这一现象长久以来就被理论预言,然而却从未被观测到。
这一引力波信号于世界协调时间2015年9月14日9:51(北京时间当天下午5:51分),由分别位于路易斯安那州列文斯顿(Livingston,Louisiana)和华盛顿州汉福德(Hanford,Washington)的激光干涉引力波观测台(LIGO)的一对探测器探测到。
LIGO天文台是由美国国家科学基金资助,由加州理工和麻省理工构思、建造并运行的。这一发现是由LIGO科学合作组织(包含GEO600组织和澳大利亚干涉引力天文协会)以及Virgo组织使用来自两台LIGO探测器的数据后做出的。本次发现发表于物理评论快讯(Physical Review Letters)期刊。
基于观测到的信号,LIGO的科学家们估算出两个并合黑洞的质量大约分别是太阳质量的29和36倍,并合发生于13亿年前。大约三倍于太阳质量的物质在短短一秒之内被转化成引力波,其功率峰值是整个可见宇宙总功率的50倍。这一引力波首先到达Livingston探测器,7毫秒之后到达Hanford探测器,这意味着引力波源位于南半球天区。
根据广义相对论,一对黑洞在相互绕转过程中通过引力波辐射而损失能量,逐渐靠近。这一过程持续数十亿年,在最后几分钟里面快速演化。在最后一秒钟内,两个黑洞以几乎是一半光速的超高速度碰撞在一起,并形成了一个质量更大的黑洞。根据爱因斯坦的E=mc2公式,这个过程中一部分的质量转化成了能量,而这些能量在最后时刻以引力波超强爆发的形式辐射出去。LIGO观测到的引力波信号就是这样来的。
20世纪70年代,罗素赫尔斯和约瑟夫泰勒给出了引力波存在的第一个证据。他们在1974年观测到一个脉冲星与另一个天体相互绕转组成的双星系统,后来发现第二个天体是一个中子星。这个系统由于辐射引力波,导致脉冲星的轨道缓慢地缩小,观测到的轨道变化率与相对论的预言高度一致。赫尔斯和泰勒的这项工作获得了1993年的诺贝尔物理学奖。这个赫尔斯-泰勒双星系统将于3亿年之后并合形成一个黑洞。在最近的这个发现里,LIGO直接见证了两个黑洞组成的双星系统的寿终正寝,在双星系统形成单个黑洞的瞬间投下匆匆一瞥。
“我们对于引力波的观测完成了一项50年前就设定的伟大目标。那就是直接探测到这一难以捕捉的现象,更好地理解宇宙,以及爱因斯坦广义相对论100周年之际恰如其分地续写爱因斯坦的传奇。”加州理性学院的戴维·莱兹David H.Reitze,LIGO天文台的执行官,如是说。
这一发现得益于高新激光干涉仪引力波天文台(Advanced LIGO)探测能力的大大提升。相比于第一代LIGO探测器,Advanced LIGO的重要升级工作使得仪器的灵敏度大大增强,从而大大增加了可探测的宇宙空间,也直接导致在其第一次观测运行中发现引力波。美国国家科学基金会主导了高新激光干涉的财政支持。德国的马克斯-普朗克学会,英国的科学与技术设施委员会和澳大利亚的澳大利亚研究基金会等资助机构均对本项目作出了巨大贡献。使高新探测器林敏度大大提高的几项关键技术由德国-英国的GEO合作组织开发并测试。主要的计算机资源由AEI的Atlas机群,LIGO实验室,雪城大学和威斯康星大学密尔沃基分校贡献。一些大学设计、建造并测试了Advanced LIGO的关键部分:澳大利亚国立大学,弗罗里达大学,斯坦福大学,纽约哥伦比亚大学和路易斯安那州立大学。
“1992年批准LIGO最初的基金项目是NSF有史以来最大的一笔投资”France Córdova,NSF主任如是说。“那是一项有很高风险的资助,但这正是NSF需要承担的项目。我们资助一定会有所发现,但是还在探索历程上基础科学和工程。我们资助开路先锋。这就是为什么美国依然是全球先进知识的领导者的原因。”
LIGO的研究工作由LIGO科学合作组织(LSC)完成,这一合作组织包含来自美国和其他14各国家的1000多名科学家。LSC中的90多所大学和研究所参与研发了探测器所使用的技术,并分析其产生的数据;在组织中,有约250名做出重要贡献的成员是学生。LSC探测网络包括LIGO干涉仪和GEO600干涉仪。GEO团队包括来自德国马克斯-普朗克引力物理研究所(阿尔伯特·爱因斯坦研究所(AEI)),汉诺威莱布尼兹大学与格拉斯哥大学,加迪夫大学,伯明翰大学,其他英国的大学以及西班牙的巴利阿里群岛大学。
“这项探测是一个新纪元的起点:引力波天文学研究领域现在终于不再是纸上谈兵了”,LSC发言人,路易斯安那州立大学物理与天文学教授Gabriela González如是说。
LIGO这种用激光干涉探测引力波的方法最初是在上世纪80年代提出的,主要的提出人有MIT物理教授、荣休教授雷纳·韦斯(Rainer Weiss),加州理工的理查德·费曼理论物理讲座教授、荣休教授基普·索恩(Kip Thorne)以及同样来自加州理工的物理教授、荣休教授罗纳德·德雷弗(Ronald Drever)。
“这项发现的内容完美地被100年前爱因斯坦发表的广义相对论所描述,这也是第一次广义相对论在强引力条件下的检验。如若爱因斯坦泉下有知,真不知道他会有什么反应”,韦斯说。
“通过这项发现,我们人类开启了一场波澜壮阔的新征程:一场对于探索宇宙那弯曲的一面——通过弯曲时空而产生的事物和现象——的征程。黑洞的碰撞和引力波是首当其冲的完美范例”索恩说。
室女座引力波探测器(Virgo)的研究工作由Virgo科学合作组织完成,这一组织包含250多名物理学家和工程师,分别隶属于18个不同的欧洲的实验室,包括法国国家科学研究中心(CNRS)的6家研究所、意大利国立天体物理研究所(INFN)的8家研究所、荷兰国家核物理及高能物理研究所、匈牙利维格纳研究所,波兰引力研究组和安置室女座引力波探测器的欧洲引力天文台。
Virgo的发言官富尔维奥·里奇(Fulvio Ricci)称:“这是物理学的重要里程碑,但更为重要的是,对于LIGO和Virgo来说,这仅仅是它们将开创的全新而令人激动的物理发现的开端。”
马克斯-普朗克引力物理研究所(阿尔伯特·爱伊斯坦研究所)的所长布鲁斯·艾伦(Bruce Allen)补充道“爱因斯坦当初认为引力波太过微弱而无法探测,并且他从未相信过黑洞的存在。不过,我想他并不介意自己在这些问题上弄错了。”
“Advanced LIGO探测器是科学与技术上的一项壮举,汇聚了全球技师、工程师和科学家团队的通力合作才得以实现,”Advanced LIGO的项目领头人,来自麻省理工的戴维·休梅克说道,“我们及时、同时也在预算内完成了这项美国国家科学基金会资助的项目,对此我们感到无比自豪。”
在LIGO的两个天文台中,全长4公里的L形的LIGO干涉仪将激光分成两束,并在两个干涉臂之间来回穿梭(1.2米直径的管道内保持着近乎完美的真空)。两束激光可以用来以极高的精度测量干涉臂尽头处镜子的位置。根据爱因斯坦的理论,当引力波经过探测器的时候,镜子之间的距离将会有一个极微小的改变。而即使这个改变量小至质子直径的万分之一(10-19米),也可以被探测出来。
“要实现这一里程碑式的美妙发现,需要全球的科学家们一起合作——在GEO600探测器上开发出来的激光与悬挂减震技术使得Advanced LIGO成为了有史以来人类建造的最为精妙、灵敏的引力波探测器。”格拉斯哥大学物理与天文教授希拉·罗恩(Sheila Rowan)如是说。
独立而又相距极远的天文台,对于引力波事件的方向定位,以及排除局部噪音、确认信号来自空间而言,非常重要。
“但愿这第一次的观测能够推动全球引力波探测器网络的建设工作,并在多信使天文学的时代里加速实现源的定位,”澳大利亚国立大学的引力物理中心主任,物理学教授戴维·麦克莱兰(David McClelland)评论道。
（责任编辑 陈晓雪）
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