引力波

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基本数据

爱因斯坦的广义相对论认为，引力不是一种拉力，而是空间和时间的弯曲，二者合为时空。大质量天体使时空弯曲，其他天体则沿着这些弯曲运动。

当大质量天体运动并加速时，会在时空中激起波动，有点像小船在湖面上划出涟漪。这就是引力波。引力波经过时，会以光速反复地在一个方向上拉伸空间，同时在另一个方向上压缩空间。

这种效应极其微小。即使是两个黑洞碰撞产生的引力波，也只会让地球和太阳之间的距离改变不到一个原子的宽度。只有宇宙中最剧烈的事件产生的引力波，我们才有希望测量到。

爱因斯坦在1916年推算出引力波应该存在，但认为它太弱，根本无法探测。几十年来，许多物理学家甚至争论引力波是否真实存在。

1974年出现了间接证据：拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒发现了一对相互绕转的中子星。多年来，它们的轨道恰好按照以引力波形式损失能量所预期的速率收缩。这一发现获得了1993年诺贝尔物理学奖。

要在地球上直接捕捉到引力波，又花了40年时间，并动用了有史以来最灵敏的一些仪器。

LIGO即激光干涉引力波天文台，在美国有两台探测器，分别位于华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿。每台都呈L形，两臂各长约4千米。

一束激光被分成两束，分别射入两条臂，经镜子反射后再重新合并。正常情况下两束光会相互抵消。如果引力波拉伸了一条臂并压缩了另一条臂，两束光就会稍稍错开，出现一丝闪光。长度的变化不到质子宽度的万分之一。

拥有多台相距遥远的探测器，有助于排除卡车或地震等本地震动的干扰，还能让科学家确定波源在天空中的位置。LIGO与意大利的Virgo以及日本的地下探测器KAGRA合作，共同组成一个全球网络。

2015年9月14日，两台LIGO探测器都记录到一个短暂的信号，那是一段持续不到一秒、音调上扬的啁啾声。它来自约13亿光年外两个质量分别约为太阳36倍和29倍的黑洞，它们相互绕转并最终并合。

在最后的瞬间，约三个太阳质量的物质转化成了引力波能量。这一结果于2016年2月公布，2017年雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩因在LIGO中的贡献获得了诺贝尔物理学奖。

到2025年底第四轮观测结束时，该网络已记录了300多个候选信号。其中大多数是黑洞并合，少数涉及中子星。

2017年8月，探测器捕捉到两颗中子星碰撞产生的引力波。几秒钟内，太空望远镜观测到一次伽马射线暴，随后世界各地的天文台观测到逐渐暗淡的余辉，即千新星。碰撞抛出的物质中含有重元素，有力地证明了这类碰撞锻造出了宇宙中大部分的金和铂。

引力波揭示了原本无法看见的黑洞，并表明黑洞的质量范围比预想的更宽。它让科学家能在引力最强的地方检验广义相对论，甚至提供了一种独立测量宇宙膨胀速度的方法。

由于引力波几乎不受尘埃和气体的影响，它能直接带来光无法呈现的事件核心的信息。

地面探测器能听到较小天体发出的高频信号。要捕捉星系中心超大质量黑洞并合产生的低频长波，探测器的臂长必须远超地球上任何设施。

2024年，欧洲空间局正式批准了与NASA合作建造的LISA任务。三个航天器将组成边长约250万千米的三角形，以激光相连，跟随地球绕太阳运行。截至2026年，计划在2035年前后发射。

与此同时，射电天文学家利用脉冲星计时阵列，观测众多脉冲星稳定的“滴答”信号，并于2023年报告了极长波长引力波形成的微弱背景“嗡鸣”的证据。引力波无法用望远镜看到，但公共预警服务会分享新的探测结果，通常在几分钟之内。