来自星星的诺奖：魔鬼隐藏在细节里，坚持观测20年终抱诺奖归

编者按：1895年11月27日，诺贝尔在巴黎留下遗嘱设立诺贝尔奖，该奖每年授予在物理学、化学、生理或医学、文学、和平领域内对人类做出最大贡献的人。因此，诺贝尔并没有给天文学设置奖项。但纵观诺奖的历史，物理诺奖已经有十多次颁发给天文学家，这是为什么呢？主要是因为现代天文学与物理学已经密不可分，太空已经成了验证基础物理学的实验室。《来自星星的诺奖》系列十篇文章带你回顾那些颁给天文学家的物理诺奖，本期是第七期。

从引力波被发现整个过程看，在1993年的时候，科学家已经知晓宇宙存在引力波，但由于没有足够精密的测量装置，只能通过间接的方法得知引力波的存在。只有在直接证据面前，才能确定引力波是真实存在的。

自从人类在2015年首次直接观测到引力波之后，证实了宇宙时空“涟漪”是存在的，前提是需要大质量天体才能产生能够被我们仪器探测到的引力波事件，比如两个黑洞合并。2017年，科学家又探测到两颗中子星合并的引力波事件，进一步证实了引力波的存在。

事实上，早在1993年，美国物理学家赫尔斯、泰勒在发现脉冲星双星PSR B1913 16时，就第一次间接预言了引力波的存在，这是人类发现的第一个脉冲双星系统，包括一颗脉冲星和一颗中子星，两个天体围绕一个质心公转。

脉冲双星PSR1913 16刚好符合这一特征。它的轨道周期仅7.75个小时，轨道椭率达到了0.617，并且两颗脉冲星之间并没有物质交流。从观测到的数据推算，脉冲星的轨道运动速度可达到光速的十分之一。因此，它们的引力效应非常强，从广义相对论中计算，可得到引力辐射造成的周期缩短为每秒2.6×10^-12秒。

然而，要观测到如此微小的变化，是非常困难的。困难主要体现在两点：第一，对脉冲到达的时间的测量必须极端精密；第二，为了发现轨道周期的变化必须要进行长期的观测。

为此，泰勒教授坚持了20年，利用当时世界上最大的单口径射电望远镜阿博西雷进行了上千次观测，使得精度进一步提高。最终，实验的观测值与使用广义相对论计算的理论值仅相差0.4%。他们以实打实的观测数据，间接证实了引力波的存在，获得诺贝尔奖也是众望所归。

在20世纪60年代，科学家已经发现了X射线双星的存在。它是由一颗中子星与一颗恒星伴星组成，中子星会吸积伴星的物质，而后在表面附近转化成X射线。而新发现的射电脉冲双星一般是由两颗中子星组成。如果它们的轨道周期较短且椭率较大，那么这类中子双星系统可以发出很强的引力辐射，而这会损失能量导致它们轨道周期进一步缩短。如果能测量脉冲双星轨道运动周期的变短，就能间接证明引力波的存在。

显然，探测引力波需要直接对其进行测量，并且计算出损失的质量，这就需要用到非常精密的仪器，比如LIGO引力波天文台。该天文台建成于2002年，当时启用时还无法探测到引力波，于是美国方面对这台超精密的测量装置进行了升级，花费了5年时间，终于在2015年重新启用，很快就有了新的发现。

于是我们看到了在2015年首次直接观测到引力波，科学家使用LIGO引力波天文台探测到两个黑洞合并，在不到1秒的时间内损失3个太阳质量，这些质量通过引力波的形式发射出来，最终被我们的设备检测到，这是直接证明引力波存在的证据。

从引力波被发现整个过程看，在1993年的时候，科学家已经知晓宇宙存在引力波，但由于没有足够精密的测量装置，只能通过间接的方法得知引力波的存在。只有在直接证据面前，才能确定引力波是真实存在的。