揭秘引力波：愛因斯坦的猜想是如何被證實的

愛因斯坦的猜想是如何被證實的

“引力波”，聽名字給人一種曼妙舞動的韻律之美，愛因斯坦在廣義相對論中曾描述：“引力波以光速迅速擴散，充滿整個宇宙。”引力是由于質量所引發的時空扭曲所造成，任何有質量的物體加速運動都會對周圍的時空產生影響，時空在伸展和壓縮的過程中，會產生振動，這些振動就是引力波。這些波動，可以想象為將一塊石子投入水中所掀起的漣漪，因此人們也為引力波賦以一個好聽的名字“時空漣漪”。

引力波一直是愛因斯坦提出來的虛無之物，沒有人見過，沒有人能證明，沒有人能檢測到。就連愛因斯坦本人也想象不到，能通過怎樣的方法探測到引力波，以至于他本人直到逝世前都還在懷疑黑洞的存在。

金秋十月，“引力波”變得如巨星般耀眼，先是10月3日，來自LIGO(激光干涉引力波天文臺)團隊的科學家們由于其在引力波研究方面的貢獻而被授予諾貝爾物理學獎。接著北京時間10月16日晚上10點，一個世界天文學界里程碑式的時間來到，美國國家科學基金會、歐洲南方天文臺、中國中科院紫金山天文臺等機構同步召開新聞發布會，宣布第一次同時“聽到”和“看到”來自雙中子星并合的一次引力波事件。

這是人類第五次探測到引力波。然而科學界的興奮之情甚至不亞于第一次探測到引力波時。因為與之前被探測到的四個引力波信號不同，這次探測到的引力波信號GW170817來自1.3億光年外兩顆并合的中子星，而且科學家第一次同時觀測到了引力波及其電磁對應體。

“這次科學家們宣布首次直接探測到了壯麗的雙中子星并合產生的時空漣漪——引力波及其伴隨的電磁信號。這標志著人類歷史上第一次使用引力波天文臺和其他望遠鏡同時觀測到了同一個天體物理事件，這次發現同時也打開了等待已久的多信使天文學的新窗口，引力波天文學為理解中子星的性質提供了電磁天文學單獨所不能實現的新機會。這次發現是由位于美國的激光干涉引力波天文臺(LIGO)和位于歐洲的室女座干涉儀(Virgo)引力波探測器以及其他70個地面及空間望遠鏡共同完成的。”清華大學LIGO科學合作組織負責人曹軍威說。清華大學LIGO科學合作工作組是此次中國唯一參與觀測引力波的團隊。自2009年成為LIGO科學合作組織正式成員以來，清華大學的這個團隊參與了迄今為止的所有引力波的發現。

“這是人類迄今觀測到強度最強的引力波信號?！迸c之前探測到的雙黑洞并合引力波信號只有1秒不同，此次中子星并合產生的引力波持續了大約100秒， LIGO科學合作組織成員的科學家向記者展示了雙中子星并合的動畫過程，兩個天體相互旋進，最終并合并產生大量拋射物，外形就像旋轉的風車。最大的驚喜來自100秒的后半程，“一定要準備好你的耳朵，聽，開始了……”果然一聲“啁啾”聲傳來，這就是雙中子星即將發生并合前由于相互繞轉頻率不斷提高而發出的聲音，引力波長啥樣，聽這個聲音就知道了。

中子星是恒星演化末期形成的一類致密天體。雖然它的半徑只有十幾公里，質量卻與太陽相當。中子星到底有多硬？其內部物質以何種狀態存在？這些一直是科學家感興趣的問題。根據此次觀測到的引力波信號，科學家估算出兩顆中子星的質量、半徑，并對其密度給出了保守的限制。

在清華大學引力波成果展示現場，大屏幕上出現了一張北京地圖，此次并合的中子星大約有多大，科學家說，直徑約為20到25公里，如果放在北京地圖上，大致可以覆蓋北京的三環區域，“也就是說，清華大學所在四環外還不在中子星覆蓋范圍內?！敝凶有堑降子卸嘀兀茖W家預測，這兩個相互旋進的天體的質量估計為1.5到1.6倍太陽質量，也就是說把1.5到1.6倍的太陽質量壓縮到一個非常小的區域中，其密度大得驚人。距離我們有多遠，約1.3億光年，也就是說這是1.3億光年前的一次碰撞，今天才被我們人類所觀測到。

說起此次雙中子星并合的探測過程，簡直比國際刑警跨洲追捕逃犯還要精彩。

2017年8月17日，分布在全球各地的天文學家們獲得了一個消息，LIGO和Virgo探測器探測到了一個持續時間為100秒左右的新引力波信號，其形式與兩個中子星的并合相一致。

在得知這一消息之后，全世界各地的望遠鏡就開始了忙碌的觀測。南美、夏威夷、澳洲、南非、西班牙……全球所有頂級天文臺都像瘋了一樣，從東向西，隨著黑夜降臨在一個個大陸，各個天文臺一波波地開工，接力完成了對這個事件的跟進觀測。據不完全統計，全球一共有70架以上的各種天文望遠鏡參加了觀測，這些觀測覆蓋了整個電磁波段：光學、紅外、紫外、高能、射電。

在此之前，射電天文學的加入，讓光學和射電成為天文學的兩駕馬車；空間望遠鏡的加入，讓電磁波的全波段天文時代降臨；宇宙線和中微子的加入，又讓人看到了“多信使天文學”時代的曙光。

如今，人們用引力波和電磁波一起看到了一場宏大宇宙煙火的前后全貌，首次直接探測到了由雙中子星并合產生的時空漣漪——引力波及其伴隨的電磁信號，標志著人類歷史上第一次使用引力波天文臺和其他望遠鏡同時觀測到了同一個天體物理事件。

“以前面對宇宙，人類非聾即瞎。”中科院高能物理研究所研究員張雙南說，400多年前伽利略發明了天文望遠鏡，從此遠在天邊的宇宙天體就變成了近在眼前。2016年2月11日LIGO宣布聽到了兩個黑洞結合在一起發出的聲音，人類終于能夠聽到宇宙的聲音了。而這一次，人類不但聽到了天體結合發出的美妙歌聲，而且也看到了它們相愛迸發的煙花，耳聽為虛，眼見為實，可以說，從此，人類終于“耳聰目明”了。

正如中科院國家天文臺茍利軍博士所言，這次觀測成果在為人類解答了一些疑惑的同時也提出了更多問題，與歷史上所有天文發現一樣，這是人類好奇心的勝利與新起點。