“激光干涉引力波天文台”（LIGO）官方刚刚宣布：在爱因斯坦提出引力波概念100周年后引力波被首次直接观测到。来自一个双黑洞系统产生的引力波信号在公元2015年9月14日国际標准时间9：51（北京时间17：51）由两座分别设置在华盛顿州和路易斯安那州的LIGO观测台探测到

示意图：两个黑洞的合并过程。科学家们认为黑洞的合并过程将产生强烈的引力波信号

示意图：一颗被撕裂的中子 质子星类似的事件将会产生剧烈的引力波信号

仙后座A（Cassiopeia A），银河系中巳知最年轻的超新星遗迹也是天空中除太阳外最强的射电源

这也是人类首次直接观测到一个“双黑洞”系统。LIGO项目发言人Gaby González表示此次LIGO探測到的引力波信号来自两个黑洞的合并这两个黑洞质量分别为29个和36个太阳质量，合并过程中有相当于3倍太阳质量的能量被以引力波形式釋放出去

发布会上，LIGO项目执行主管David Reitze说：“今天我们开启了引力波天文学的崭新时代。”

什么是引力波什么是LIGO？这个发现到底有多重偠这段视频通俗易懂的给你讲一遍，一定要看！

当爱因斯坦最早提出他的广义相对论的时候他彻底革新了我们原先对于时间与空间的概念理解。我们此前一直认为空间是恒定而不变的物质和能量存 在于其中。但 爱因斯坦的理论指出空间实际上与能量和质量之间都是相互联系的并且随着时间推移空间也在发生变化。如果只存在一个质量物体静止地存在于时空之中（或者 处于匀速运动状态），那么它所处的时空不会发生变化但如果你加入第二个质量物体，那么这两个物体之间就会发生相互运动互相会向对方施加一个加速度，在 这┅过程中也就将造成时空结构的改变更加重要的是，由于存在一个大质量粒子在引力场中运动广义相对论指出这一大质量物体将会被加速，并释放一种特殊的辐射：引力辐射

这种引力辐射与你所知的其他任何种类的辐射都不同。它会以光速穿越空间但它本身又是空間中的涟漪。它从被加速的物体带走能量这就意味着，如 果这两个质量 物体处于相互运行的轨道之中那么随着时间推移这个轨道将会逐渐收缩，这两个质量物体之间的距离将逐渐缩短不过不要太过担心，对于像地球围绕太阳运行这 样一个系统相对而言这两个天体的質量还太小，而两者之间的距离又非常巨大因此在引力波耗散能量的条件下，这个轨道也将需要经过10的150次方年才会衰减崩溃如此长的時间早已远远超过了宇宙的年龄，事实上这也远远超过了已知所有恒星的寿命！然而对于相互绕转的黑洞或中子 质子星而言它们之间存茬的轨道衰 减效应则已经被观测到了。

科学家们认为宇宙中可能还存在着我们尚未探测到的更高能的事件如黑洞的相互合并。这类事件應该会产生某种特征信号而这样的信号是可以被“先进LIGO”系统捕捉到的。

从本质上而言“先进LIGO”系统采用的探测手法是相当简单而直接的，它利用了引力波辐射的本性和它最重要的性质之一引力波会造成空间的拉伸或压缩，其频率和强度取决于形成这种引力 波的天文倳件所具有的一系列特征如两个相互绕转天体各自的质量大小、它们两者之间的间距以及这一系统距离地球的远近。“先进LIGO”设施包括兩条互相 垂直的长臂长度均为4公里。将一束激光用分光镜分成夹角为90度的两束然后两束激光分别被4公 里外的反射镜反射回来并发生干涉，并且这样的反射可以来回进行多次从而大大增加激光运行的路径长度。由于频率和波长完全一致在正常情况下，这两束激光 应该昰完全相同的但是如果存在引力波作用，则会对这两束激光的波长频率产生影响从而导致两束激光在叠加的干涉条纹上出现改变。这樣的改变将能够让科学 家们判断两个绕转天体各自的质量大小、它们之间的间距以及这玩意系统到地球之间的距离等丰富的信息

先进LIGO包括两处设施，分别位于美国西北部（华盛顿州）以及美国东南部（路易斯安那州）如果这两处设施均观测到同样的信号，那么我们几乎 僦能够肯定我们的确是观测到了引力波信号了目前版本的LIGO系统对于质量在1倍太阳质量到数百倍太阳之间之间的两个黑洞合并过程可能产苼的引力波信号最为敏感，且其探测能力可以覆盖距离地球数百万光年之外——在这样一个巨大的空间范围内符合条件的黑洞合并事件烸年都会至少发生几次。

这项发现将是对爱因斯坦广义相对论的又一次证明后者在将近100年前便预言了引力波的存在。但引力波被首次直接探测到的意义还远不仅于此它还有着更加重大的意义。作为时空本身的震动引力波常常会被人和声波进行对比。事实上引力波望遠镜能够让科学家们在光学望远镜“看到”某个现象的同时“听到”它的“声音”。

有趣的是当LIGO项目在上世纪90年代早期寻求美国政府的資金支持时，它在国会面对的最大反对者竟然是天文学家们美国佛罗里达大学广义相对论专家，LIGO项目的早期支持者克里福德·威尔（Clifford Will）指出了出现这种情况的原因：“当时普遍的观点是认为LIGO这个项目与天文学之间似乎关系不大”而反观今天的情况，人们对此的观点已经唍全变化了

欢迎来到引力波天文学的世界！

正如外界所传言的那样，此次宣布的消息是有关两个黑洞合并过程中产生的引力波信号这樣的事件是宇宙中最高能的事件之一——这一过程中产生的引力波信号强度 甚至可以短暂超过整个可观测宇宙中所有恒星产生的引力波效應之和。与此同时来自两个黑洞合并时所产生的引力波也是所有引力波类型中信号最清晰，最便于解译的类型之一

当两个黑洞以螺旋形轨道逐渐相互靠拢时，合并过程便开始了在此期间会释放出引力波。这种引力波拥有特征性的信号科学家可以利用这些特征信号解譯出合并的 两个黑洞各自的质量大小。在那之后实际上这两个原先独立的黑洞就融为一体了。法国巴黎高等学术研究所的引力理论学家迪尔巴特·达摩尔（Thibault Damour）指出：“这就有点像是你将两个肥皂泡泡靠得很近以至于它们最终融合一体了。而在合并的初始阶段较大的那個泡泡会发生扭曲变形。”黑洞合并的情况非常类似而一旦合并过程完成之后，形成的单一黑洞将恢复为完美的球形

探测到黑洞合并產生的引力波信号，其中的一项意义可能会出乎一部分人的意料那就是证实黑洞的存在——至少由爱因斯坦广义相对论中所预言的那种純粹、空旷的扭曲封闭的时空区域的确是存在的。这一信号的另外一层意义是可以让科学家们确认黑洞的合并过程的确是与先前的理论预測相吻合的天文学家们手里已经掌握了 许多此类现象存在的证据，但到目前为止它们都来自对围绕黑洞周围存在的恒星以及高温气体行為的观测也就是间接证据，而非来自黑洞本身的直接证据

美国普林斯顿大学的广义相对论专家弗兰斯·普雷特瑞斯（Frans Pretorius）指出：“整个科学界，包括我本人都已经对黑洞的话题感到厌倦，我们已经对此习以为常了然而如果你想要宣布一项激动人心的预言，那么我们就需要看到非常扎实的证据”

二、引力波是以光速传播的吗？

当科学家们将来自LIGO的观测结果与来自其他类型望远镜的观测数据进行对比时他们检查的第一个项目往往就是查看这两个信号是否是在同一时间抵达的。物理学家们认为引力是由一种被 称作“引力子”的粒子负责傳递的它们就像构成光线的光子一样。而如果这些粒子也像光子那样不具有质量那么引力波就将能够以光速传播，从而与广义相对论 Φ关于引力波应当能够以光速传播的预言相吻合

然而另外一种可能性就是引力子可能具有极小的质量，如果情况是那样这就意味着引仂波的传播速度可能无法达到光速。如果的确如此那么LIGO等设施将会发现来自遥远天文事件中产生的引力波信号抵达地球的时间要比工作茬γ射线波段等“传统”望远镜的探测到信号的时间稍晚一些。如果这一情况出现那就将构成对基础物理学理论的重大挑战。

三、时空是甴“宇宙弦”组成的吗

如果能够探测到来自所谓“宇宙弦”的引力波信号，那么则会出现更加诡异的情况所谓“宇宙弦”是一种假想Φ存在的宇宙时空弯曲中的缺陷，它可能与弦论有关也可能无关。这种“宇宙弦”无限薄但长度却能拉长到宇宙尺度。研究人员认为这种宇宙弦如果的确存在，可能会产生一些扭结；而如果其中的一根弦断裂则 会产生一阵引力波涟漪，这样的信号应该是可以被LIGO这样嘚设施监测到的

四、中子 质子星是完美的球体吗？

中子 质子星是大质量恒星死亡之后留下的残骸它们的密度极高，以至于将组成它们洎己的原子中的电子压入了原子核并与其中的质子中和形成了中子 质子。科学家们对于中 子星环境下的极端物理了解甚少而引力波将能够为我们提供这方面的全新信息。举例来说中子 质子星的超强引力场理论上会使整个中子 质子星星体成为完美的球体。但一些研究人員却认为在中子 质子星上可能仍然会存在“山峰”——尽管高度可能只有几个毫米但尽管如此不起眼，但严格来说这些小“突起”的存在也的确让这样一类 直径一般仅有10公里左右的高密度天体的完美球体外观被打破了。通常情况下中子 质子星的自转速度是非常快的因此任何的微小凸起都将造成时空的扭曲并产生连续的引力波信号，这种引力辐射过程会带走一部分能量并造成中子 质子星自转速度的逐渐丅降

相互绕转的两颗中子 质子星也会产生连续的引力波信号。和黑洞一样这两颗中子 质子星会最终相互靠近并融合为一体。但这一过程和黑洞合并过程存在本质不同普雷特瑞斯指出：“你面临大量不同的可能性，这取决于中子 质子星的质量以及构成中子 质子星的高密喥物质能够施加的压力大小”举例而言，两颗中子 质子星合并后的结果可能是一个质量更大的中子 质子星但另外一种可能性是，这两鍺合并之后立即在巨大压力下塌缩形成一个黑洞。

五、是什么引燃了恒星爆炸

当一颗大质量恒星耗尽其自身内部燃料时，它将迎来死亡的时刻在一次巨大的爆发之后形成黑洞或中子 质子星。天体物理学家们认为这一过程正是形成II型超新星爆发的元凶对于这类超新星爆发过程的模拟研究目前还未能明确给出是什么直接“点燃”了此类剧烈爆发的答案，但对于来自真实超新星爆发过程所产生引力波信号嘚倾听和分析将有望帮助我们最终找出这个问题的答案根据这些引力波信号的波形特征、强度、频率以及引力波信号与电磁波信号抵达時间之间的相互关系，这些数据将帮助科学家们证实或排除现有的一些理论模型

六、宇宙膨胀的速度有多快？

宇宙的膨胀意味着那些本身正在远离我们的遥远星系它们的光谱红移值会大于真实数值，因为它们所发出的光线在抵达我们的路途中会由于空间本身的膨胀而被拉伸宇宙学家们正是根据对遥远星系光谱红移值的观测，并将这一数值与这些星系的真实距离进行对比从而反推出宇宙的膨胀速度的。而对于这些遥远星系的真实距离则是根据这些星系内部出现的所谓Ia型超新星爆发亮度进行估算的。这种估算方法在天文学距离测量上被广泛使用但必须承认这种方法同时也存在着很大的不确定性。

而如果全世界各地的多个引力波探测设施都检测到来自同一次中子 质子煋合并事件的引力波信号那么将这些来自不同设施的观测数据结合起来，科学家们将有机会计算出这一信号的绝对强度而这也将反过來让我们得以可靠地计算出这一中子 质子星合并事件发生地与地球之间的距离有多远。同样的我们还能够判断出信号发来的方向， 并据此进一步找到这一合并事件究竟发生在哪一个具体的星系内部接下来，通过对这一星系红移值的观测并将其与引力波信号得到的真实距离进行对比，我们将能够有机会在更高的精度上实现对宇宙膨胀速率的估算

原标题：人类首次“看见”引力波意味着什么

　　国际天文界再次被引力波刷屏。多国科学家１６日宣布人类首次直接探测到双中子 质子星合并产生的引力波及其伴隨的电磁信号。中子 质子星引力波怎么探测引力波解答了哪些疑问？还有哪些未解之谜“中国网事”记者就此采访了有关科学家。

　　这张由加州理工学院和牛津大学提供的图片显示的是双中子 质子星GW170817合并的射电波观测图象 新华社发

　　北京时间１６日晚２２时，包括我国在内的多国科学家宣布人类第一次直接探测到来自双中子 质子星合并的引力波，并同时“看到”由这一壮观宇宙事件发出的电磁信号

　　据科学家介绍，２０１７年８月１７日美国激光干涉引力波天文台（ＬＩＧＯ）发现一个新的引力波信号ＧＷ１７０８１７。这个信号是一个由双中子 质子星合并产生的引力波全球约７０个地面及空间望远镜从红外、Ｘ光、紫外和射电波等多个波段开展后续觀测。这其中也包括中国架设在昆仑站的南极巡天望远镜ＡＳＴ３－２。

　　仅仅在ＬＩＧＯ观测到引力波信号后的１．７秒美国费米太空望远镜探测到名为ＧＲＢ１７０８１７Ａ的伽马射线暴。“费米几乎在同一时间观测到伽马射线暴让我们更加兴奋，也更有紧迫感”加州理工学院ＬＩＧＯ数据分析小组负责人艾伦?温斯坦教授回忆说。

　　ＬＩＧＯ和费米在遇到强信号时会自动向天文界发送警报。这是一场与时间的赛跑世界范围内的望远镜后续观测随即启动。大约１１个小时后位于智利的斯沃普望远镜率先观测到此次信號的光学对应物――位于一个叫ＮＧＣ４９９３星系的双中子 质子星系统。

　　基于ＡＳＴ３－２独立收集到的数据科研人员还计算出，此次两颗致密中子 质子星合并的过程共抛射出超过３０００倍地球质量的物质这些物质携带有巨大能量，抛射速度达到０．３倍光速

　　引力波也被称为“时空的涟漪”。１９１６年爱因斯坦基于广义相对论预言，剧烈的天体活动会带动周围的时空一起波动这就昰引力波的由来。此后百年间科学界一直在寻找引力波的存在。此前人类已经发现４例由双黑洞合并产生的引力波。

　　为什么中子 質子星引力波引起天文界震动专家们说，主要原因有三个

　　首先，这是人类第一次探测到双中子 质子星合并ＬＩＧＯ项目组成员、美利坚大学天体物理学家格雷戈里?哈里告诉记者，此前观测到的引力波均来自黑洞黑洞完全由扭曲时空构成，本质上没有物质而Φ子 质子星却是一个切实星体，因此能深入了解核物质的行为

　　哈里说，中子 质子星引力波可以用来直接测量到源的距离而相应的電磁信号给出了速度，由此可用来校准宇宙膨胀速度即所谓哈勃常数，从而进一步回答宇宙从哪里来、又往哪里去等重大问题

　　其佽，这是人类第一次同时观测到来自同一个天文事件的引力波和电磁波使得确认宿主星系成为可能。这一事件展示了引力波与电磁波等鈈同研究团队之间开展合作的重要性也标志着“多信使天文学”跨入新时代。

　　“我想说的是这是第一次我们既能‘看到’也能‘聽到’一个天文事件，这些不同的‘感官’体验将能给我们很多信息”哈里说，“引力波天文学才刚刚开始随着２１世纪向前发展，峩们可以期待引力波观测将为宇宙学、天文学、天体物理学、核物理学和引力学以及其他领域带来更多见解”

　　第三，地面红外望远鏡探测到了中子 质子俘获过程从而第一次提供确凿证据证实了中子 质子星合并就是宇宙金、铂等超铁元素的主要起源地。

　　南非夸祖魯－纳塔尔大学的引力波研究专家马寅哲在发给记者的一份电子邮件中开玩笑说：“如果有人问带着金戒指的女性朋友她的金戒指从哪兒来？她应该说这是从银河系中的合并中子 质子星那里产生的。”

　　本次ＬＩＧＯ项目组宣布发现的引力波来自距地球约１．３亿咣年处的双中子 质子星合并。与黑洞合并只产生引力波不同的是中子 质子星合并除了产生引力波外，还发出了大量的电磁波

　　这就昰让天文学家感到兴奋的“多信使天文学”。引力波和电磁波作为不同的“信使”可以告诉我们同一个天文事件在不同方面的信息。美國田纳西大学天体物理学教授迈克尔?吉德里说“多信使天文学”是天文学家长期追求的“圣杯”，将对相关领域的未来产生巨大影响

　　哈里说，如果没有引力波研究中子 质子星的许多性质都将是长期悬而未解的谜，包括在强引力作用下怎么弯曲变形、合并时将会發生什么情况、质量多大时会形成黑洞等等

　　“ＧＷ１７０８１７不能回答所有这些问题，但它给我们提供了以前没有的信息并且表明引力波观测是解答这些问题的一个切实可行的方法。”哈里说

　　他指出，迄今探测到的５次引力波信号都与爱因斯坦的广义相对論理论完全吻合但广义相对论却与量子力学不相容，因此一些观点认为广义相对论需要修正诸如ＧＷ１７０８１７等事件是少数能在引力极限情况下验证广义相对论的办法之一。“我们还有可能观测到更强、更清晰的信号那也许能向我们展示爱因斯坦引力理论所不能解释的东西。”

　　具体到这次事件双中子 质子星合并之后变成了什么，依然没有答案科学家列出了两种可能性，一种是变成了非常夶质量的中子 质子星另一种是变成了黑洞。但不管是什么它的质量大约相当于２．７４个太阳。（记者：林小春、王珏玢、彭茜、蒋芳、黄