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「新鲜事儿」《科学大家》| 了解引力波：让我们从13亿年前谈起( 二 )


物质之间的引力 ， 需要时间来传递 。
「新鲜事儿」《科学大家》| 了解引力波：让我们从13亿年前谈起
本文插图
星体（比如太阳与地球）之间的引力来自时空的弯曲 ， 图片来自LIGO
这就好比在席梦思床垫上 ， 一个物体引起床垫变形 ， 变形向四周传递 ， 导致另一个物体受力情况的改变 ， 似乎受到前一个物体的吸引力 。 这个床垫扮演了类似时空的角色 。
1916年 ， 爱因斯坦根据广义相对论 ， 预言了引力波 。
引力源质量分布的改变 ， 导致它对其他物体引力的改变 ， 这种改变以光速传播开来 ， 就是引力波 。 既然引力是时空弯曲 ， 那么引力波也就是“时空的涟漪” ， 即时空弯曲情况随时间变化、在空间传播 。 引力波到达之处 ， 在垂直于传播方向的平面上 ， 任何长度都会振荡 ， 而且在互相垂直的任意两个方向上步调相反 。 这些都是广义相对论的预言 ， 所以引力波的观测也就验证了广义相对论 。
通常物体间的引力很弱 。 但宇宙天体的质量巨大 ， 所以它们之间的引力很大 。 理论表明 ， 引力波主要来自宇宙中的超新星爆发、中子星和黑洞等致密天体以及宇宙大爆炸 。
引力波很难探测 ， 因为最强的引力波导致的相对长度变化也只有0.0…01（其中小数点后面有21个0） 。
1974年 ， 拉塞尔?赫尔斯（Russel Alan Hulse）和约瑟夫?泰勒（Joseph Hooton Taylor）发现引力波导致一个中子星和与之互相环绕的伴星之间的距离越来越小 ， 因此获1993年诺贝尔物理学奖 ， 但直到2015年 ， 引力波还没有被直接探测到 。
引力波如何被探测到？ LIGO的探测原理基于激光干涉 。 LIGO包括两个同样的探测器 ， 它们相距3002公里 ， 分别位于美国华盛顿州与路易斯安那州 。 两个探测器共同工作 ， 可排除其他信号 ， 比如地震 。 每个探测器是一个巨大的迈克尔逊干涉仪 ， 有两个互相垂直的、约4公里长的臂 ， 构成L-形 。 一束激光分成两束 ， 分别进入两臂 。 在每个臂中 ， 激光被两端的镜子来回反射多次 。 最后两束激光再叠加起来 ， 这就是干涉 。 干涉的光强决定于两臂长度差 ， 所以用来测量两臂长度差 。

相距3002公里的两个巨大的迈克尔逊激光干涉仪 ， 图片来自LIGO 。
引力波经过探测器时 ， 每个臂的长度都时长时短地振荡 ， 而且步调相反 ， 一个臂变长时 ， 另一个变短 。 所以两臂长度差也在振荡 ， 从而激光干涉的光强也在振荡 。 由此就可以反推出引力波的性质 。
2015年9月14日 ， LIGO测到 ， 干涉仪的臂发生了0.0……04米的长度改变（小数点后面18个0） 。 作为人类历史上最精密的测量 ， 这里的测量技术与量子物理相关 。
2016年2月12日 ， LIGO合作组宣布 ， 他们于2015年9月14日探测到了引力波 ， 它来自一个质量为36太阳质量的黑洞与一个29太阳质量的黑洞的碰撞 ， 然后并合为一个62太阳质量的黑洞 ， 失去的3太阳质量转化为引力波的能量 。 “太阳质量”是天体质量的单位 ， 1个太阳质量意思就是说 ， 它的质量等于太阳的质量 。
2015年12月26日和2017年1月4日 ， LIGO又先后两次探测到黑洞并合产生的引力波 。 这次诺贝尔奖宣布6天前 ， 9月27日 ， LIGO和靠近意大利比萨的引力波天文台VIRGO宣布 ，2017年8月14日 ， LIGO和VIRGO共同探测到另一次黑洞并合产生的引力波 。

布13天后 ， 10月16日 ， LIGO和VIRGO又宣布 ， 今年8月17日 ， 他们第一次观测到两个中子星并合产生的引力波 。 这个事件还产生了短伽马射线爆 ， 被费米和INTEGRAL这两个空间望远镜上的伽马射线探测器探测到 。全球70多个各个电磁波波段的望远镜对这个伽马射线爆的余晖进行了观测 ， 确定它位于长蛇座的星系NGC4993 。
LIGO探测到引力波 ， 意义不仅在于直接验证广义相对论预言的引力波的存在 ， 还在于开启了对强引力、随时间变化的引力以及黑洞的直接观测 ， 打开了认识宇宙的一个新窗口 。 在这之前 ， 我们关于宇宙的信息来自宇宙中传来的电磁波和粒子 ， 如宇宙线和中微子 ， 而引力波带来了主宰宇宙的引力的直接信息 。 引力波天文台与传统天文望远镜协同观测中子星并合表明 ， 引力波和电磁波的探测可以协同进行 ， 标志着多信使天文学的开始 。


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