這是美國路易斯安那州利文斯頓市的激光干涉引力波天文臺的資料照片。
“女士們、先生們，我們已經(jīng)探測到引力波，我們找到它了。”美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）執(zhí)行主任戴維·賴茨2月11日在華盛頓舉行的記者會上，終于說出了幾個(gè)月以來人們最想聽到的那句話。13億年前兩個(gè)黑洞相撞產(chǎn)生的“巨響”從此刻開始傳遍整個(gè)地球，而LIGO這個(gè)名字，也開始響遍世界。
LIGO是什么？
LIGO的全稱是“激光干涉引力波天文臺”，是美國分別在路易斯安那州利文斯頓市與華盛頓州小城漢福德市建造的兩個(gè)引力波探測器。每個(gè)探測器都有兩個(gè)長達(dá)4公里的測量臂，呈L型排列。為了便于理解，可以將其設(shè)想成一臺極度敏感的巨型光學(xué)設(shè)備。
1991年，麻省理工學(xué)院與加州理工學(xué)院在美國國家科學(xué)基金會（NSF）的資助下，開始聯(lián)合建設(shè)LIGO，1999年11月建成，耗資3.65億美元。2005年至2007年間，LIGO進(jìn)行過一次升級改造。升級后的LIGO，2009年7月重啟，直到2010年10月結(jié)束，但未能探測到引力波存在的可靠證據(jù)。2015年，最新的激光干涉引力波天文臺正式上線。目前10多個(gè)國家超過1000名科學(xué)家參與了這個(gè)搜尋引力波的項(xiàng)目。
它是怎么“聽到”引力波的？
LIGO系統(tǒng)由相距1865英里（約3000公里）的兩個(gè)完全相同的探測器組成。每個(gè)探測器包含由兩個(gè)長度為4公里的L形真空管?？茖W(xué)家們通過真空管來發(fā)射激光束。每束激光到達(dá)真空管末端后，會被鏡面反射，并沿相反路線返回。在同等條件下，兩束激光應(yīng)該在完全相同的時(shí)間抵達(dá)源頭，由于干涉作用，光線不會抵達(dá)光電探測器。而一旦有引力波穿過探測器，根據(jù)愛因斯坦100年前的預(yù)測，會使兩個(gè)真空管中的空間出現(xiàn)極其微小的拉伸與壓縮，從而破壞了原有的完美平衡，使光線外泄到光電探測器上。
建造LIGO最難，也是LIGO最厲害的地方在于：整個(gè)探測器都需要根據(jù)地球曲率校正設(shè)計(jì)建成，盡可能避免來自地表震動的干擾；為減少大氣和污染物對激光運(yùn)行的干擾，還要將其置于真空之中。為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，開機(jī)后兩臺探測器必須不間斷地記錄結(jié)果，任何一個(gè)小數(shù)據(jù)都不能遺漏。
有人打了一個(gè)比方來形容LIGO所能達(dá)到的精度——LIGO能在1公里的長度上找到小于原子核半徑一萬倍的空間變化。
美國東部時(shí)間2015年9月14日5時(shí)51分，位于利文斯頓的探測器首先傳出撞擊聲，7毫秒后，漢福德的探測器也傳出撞擊聲。這意味著有引力波傳到了地球，并被兩個(gè)探測器探測到。
LIGO項(xiàng)目組稱，基于觀測到的信號,此次探測到的引力波是由兩個(gè)黑洞合并引發(fā)的。這兩個(gè)黑洞的直徑都在150公里左右，質(zhì)量分別是太陽質(zhì)量的29和36倍。據(jù)推測，兩個(gè)黑洞的合并發(fā)生在13億年前，它們不斷靠近，旋轉(zhuǎn)，并最終合并成一個(gè)黑洞。合并過程中產(chǎn)生的引力波經(jīng)漫長的傳播最終抵達(dá)地球。
據(jù)推測，兩個(gè)黑洞幾乎是以一半光速的超高速度碰撞在一起,并形成了一個(gè)質(zhì)量更大的黑洞。這個(gè)過程中一部分的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了能量，大約三倍于太陽質(zhì)量的物質(zhì)在短短一秒之內(nèi)轉(zhuǎn)化成了引力波。這一引力波首先到達(dá)利文斯頓探測器,7毫秒之后到達(dá)漢福德探測器。引力波信號就是這樣發(fā)出并被LIGO觀測到的。
LIGO之外還有誰？
在LIGO項(xiàng)目啟動后，世界各地的一些大型激光干涉引力波探測器開始籌建。
目前，除LIGO外，比較大型的探測器還有位于意大利比薩附近，臂長為3000米的VIRGO；位于德國漢諾威附近，臂長為600米的GEO；以及日本東京國家天文臺，臂長為300米的TAMA300。這些探測器在2002年至2011年期間共同進(jìn)行觀測，但并未探測到引力波。此外，還有歐洲的空間引力波項(xiàng)目eLISA和日本的大型低溫引力波望遠(yuǎn)鏡KAGRA。
此前的消息，LIGO實(shí)驗(yàn)室和印度引力波物理學(xué)界已經(jīng)達(dá)成協(xié)議，計(jì)劃把LIGO的一部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)往印度，并在印度開設(shè)一個(gè)LIGO-India的引力波觀測站。
中國引力波探測工程“天琴計(jì)劃”已經(jīng)于2015年7月份正式啟動，部分關(guān)鍵技術(shù)研究已有具體進(jìn)展，目前正在立項(xiàng)中。據(jù)介紹，中山大學(xué)“天琴計(jì)劃”是以引力波研究為中心，開展空間引力波探測計(jì)劃任務(wù)的預(yù)先研究，制定中國空間引力波探測計(jì)劃的實(shí)施方案和路線圖，并開展關(guān)鍵技術(shù)研究。
能夠預(yù)見的是，引力波的發(fā)現(xiàn)，將會進(jìn)一步刺激各國的研究進(jìn)度，世界各地的引力波研究計(jì)劃的推進(jìn)也會更為迅速。
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