這是美國(guó)路易斯安那州利文斯頓市的激光干涉引力波天文臺(tái)的資料照片。
“女士們、先生們，我們已經(jīng)探測(cè)到引力波，我們找到它了。”美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）執(zhí)行主任戴維·賴茨2月11日在華盛頓舉行的記者會(huì)上，終于說(shuō)出了幾個(gè)月以來(lái)人們最想聽(tīng)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(kāi)始傳遍整個(gè)地球，而LIGO這個(gè)名字，也開(kāi)始響遍世界。
LIGO是什么？
LIGO的全稱是“激光干涉引力波天文臺(tái)”，是美國(guó)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(cè)器。每個(gè)探測(cè)器都有兩個(gè)長(zhǎng)達(dá)4公里的測(cè)量臂，呈L型排列。為了便于理解，可以將其設(shè)想成一臺(tái)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(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的資助下，開(kāi)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(guò)一次升級(jí)改造。升級(jí)后的LIGO，2009年7月重啟，直到2010年10月結(jié)束，但未能探測(cè)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(tái)正式上線。目前10多個(gè)國(guó)家超過(guò)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(tīng)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(cè)器組成。每個(gè)探測(cè)器包含由兩個(gè)長(zhǎng)度為4公里的L形真空管?？茖W(xué)家們通過(guò)真空管來(lái)發(fā)射激光束。每束激光到達(dá)真空管末端后，會(huì)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(huì)抵達(dá)光電探測(cè)器。而一旦有引力波穿過(guò)探測(cè)器，根據(jù)愛(ài)因斯坦100年前的預(yù)測(cè)，會(huì)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(cè)器上。
建造LIGO最難，也是LIGO最厲害的地方在于：整個(gè)探測(cè)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(lái)自地表震動(dòng)的干擾；為減少大氣和污染物對(duì)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(kāi)機(jī)后兩臺(tái)探測(cè)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(lái)形容LIGO所能達(dá)到的精度——LIGO能在1公里的長(zhǎng)度上找到小于原子核半徑一萬(wàn)倍的空間變化。
美國(guó)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(cè)器首先傳出撞擊聲，7毫秒后，漢福德的探測(cè)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(cè)器探測(cè)到。
LIGO項(xiàng)目組稱，基于觀測(cè)到的信號(hào),此次探測(cè)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(yáng)質(zhì)量的29和36倍。據(jù)推測(cè)，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(guò)程中產(chǎn)生的引力波經(jīng)漫長(zhǎng)的傳播最終抵達(dá)地球。
據(jù)推測(cè)，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(guò)程中一部分的質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了能量，大約三倍于太陽(yáng)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(cè)器,7毫秒之后到達(dá)漢福德探測(cè)器。引力波信號(hào)就是這樣發(fā)出并被LIGO觀測(cè)到的。
LIGO之外還有誰(shuí)？
在LIGO項(xiàng)目啟動(dòng)后，世界各地的一些大型激光干涉引力波探測(cè)器開(kāi)始籌建。
目前，除LIGO外，比較大型的探測(cè)器還有位于意大利比薩附近，臂長(zhǎng)為3000米的VIRGO；位于德國(guó)漢諾威附近，臂長(zhǎng)為600米的GEO；以及日本東京國(guó)家天文臺(tái)，臂長(zhǎng)為300米的TAMA300。這些探測(cè)器在2002年至2011年期間共同進(jìn)行觀測(cè)，但并未探測(cè)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(kāi)設(shè)一個(gè)LIGO-India的引力波觀測(cè)站。
中國(guó)引力波探測(cè)工程“天琴計(jì)劃”已經(jīng)于2015年7月份正式啟動(dòng)，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(kāi)展空間引力波探測(cè)計(jì)劃任務(wù)的預(yù)先研究，制定中國(guó)空間引力波探測(cè)計(jì)劃的實(shí)施方案和路線圖，并開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)研究。
能夠預(yù)見(jiàn)的是，引力波的發(fā)現(xiàn)，將會(huì)進(jìn)一步刺激各國(guó)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(huì)更為迅速。
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