爱因斯坦说，我们永远都不会探测到时空涟漪，实验证明他错了

• 在处女座重力波天文台内，一名工作人员正在检查悬挂在镜子上的石英纤维。

阿尔伯特·爱因斯坦曾预言，像黑洞和中子星这样的超大质量物体在碰撞时，会在时空中产生涟漪。爱因斯坦认为人类无法探测到这些涟漪，也就是引力波。

但100年后，激光干涉引力波天文台（LIGO）证明他错了。现在，一个全球天文台网络已经探测到50种可能来自猛烈空间碰撞的引力波。天文台仍在变得越来越强大和精确。当巨大无比的物体在太空中猛烈碰撞时，它们会在时空中发出涟漪，在宇宙中回响数十亿年。

碰撞发生很久之后，这些引力波（最初由阿尔伯特·爱因斯坦提出理论）会穿过地球。在过去的五年里，华盛顿州、路易斯安那州和意大利的一套三英里长的设备一直在监听这些引力波。这两个美国探测器组成了激光干涉引力波天文台。

爱因斯坦预言，地球上的噪音和振动会使我们永远无法探测到引力波。但这些天文台证明他错了。科学家们发现了黑洞和中子星之间的剧烈碰撞。他们发现了不应该存在的黑洞。他们已经确定了宇宙中几乎所有的金、铂和银的起源。

2019年10月，LIGO研究人员宣布，这些实验在去年仅6个月的观测中就发现了39个新的引力波事件。总的来说，科学家们已经发现了50次可能的引力波。下面是天体物理学家如何证明爱因斯坦关于引力波的观点是正确的。

1916年，爱因斯坦预测，黑洞和中子星等大质量物体的碰撞会产生引力波。

• 1944年，阿尔伯特·爱因斯坦在新泽西州普林斯顿的家中。

根据他的相对论，这些物体的绝对质量会扭曲时空的结构。当它们碰撞在一起时，这些天体会立即将相当于几个太阳的质量转化为纯引力波能量。如此猛烈的碰撞在时空中产生的涟漪会在各个方向回响，以光速穿越宇宙。这些波最终可能穿过地球，扭曲我们的空间和时间，但爱因斯坦认为我们永远无法探测到它们。

• 动画夸大了引力波通过地球时的时空弯曲效应。

它们似乎太弱了，无法从我们星球上的噪音和振动中分辨出来。上世纪90年代末，研究人员建立了两个大型实验，试图收集引力波。

• 这个位于华盛顿汉福德的L形LIGO天文台是世界上最早的两个引力波探测器之一。

其中一个l形探测器是在华盛顿的汉福德建造的。每条手臂都有2.5英里长。另一座建在路易斯安那州的利文斯顿。它们共同组成了一个天文台，即LIGO。

在最初的13年里，大家都沉默不语。但随后，LIGO探测器从13亿光年之外的两个黑洞的合并中感受到了它们在时空中的第一次涟漪。

• 技术人员检查了LIGO实验内部镜面的涂层。

这一发现证明了爱因斯坦关于引力波的理论是正确的，开辟了天文学的新领域。协助构想这个实验的三位研究人员获得了诺贝尔物理学奖。

LIGO科学家将这些信号描述为“啾啾”，因为它们在数据中发出的声音。引力波以声音的形式通过，因为它们会引起振动。当两个黑洞和中子星彼此靠近时，振动的频率就会增加，从而导致声音的音调增加。这就是啾啾声的来源。

2017年，LIGO和它的意大利伙伴Virgo察觉到了两颗中子星合并后的涟漪。

• 两颗中子星相撞的图解

中子星是死亡恒星的超高密度残留物。当它们合并时，很可能形成了一个新的黑洞。这次灾难性的碰撞还铸造了相当于50个地球质量的白银，100个地球质量的黄金和500个地球质量的铂。脱离黑洞引力的部分最终可能会变成新的行星。

去年，这些天文台探测到近10亿年前一个黑洞吞噬一颗中子星时发出的波。

这完成了三次猛烈、大规模的空间碰撞，即黑洞与黑洞的碰撞，中子星与中子星的碰撞，以及黑洞吞噬中子星。LIGO和Virgo使用一种聪明的方法来探测这些波。首先，每个探测器发射出一束激光并将其一分为二。一束光线被发送到2.5英里长的管道，另一束则被发送到相同的垂直管道。光束从镜子反射回来，在分光器附近汇合。来自激光束的光波以相同的长度返回，并以一种相互抵消的方式排列。结果，仪器的光探测器看不到任何光。

但是当引力波穿过时，它会使时空发生扭曲，使一个管子稍微长一些，另一个管子稍微短一些。这种有节奏的拉伸和挤压扭曲一直持续到波通过为止。当这种干涉发生时，这两束光不再以相同的长度返回，所以它们不会对齐，也不会相互中和。结果，探测器记录了一些闪光。因此，测量这些亮度变化的物理学家就是在测量和观察引力波。

• 一名技术人员检查一个LIGO的镜子，以一个掠视角度用光线照亮它的表面。

根据LIGO团队的研究，当一个波经过时，一只手臂的长度变化不到亚原子质子粒子宽度的1/10,000。科学家可以根据两束激光束到达的不同时间来了解产生这些波的事件。

一台计算机利用探测器到达的时间来计算探测器臂长变化的程度以及变化的速度。这种“干涉模式”帮助研究人员首先确定产生引力波的物体的质量（这反过来可以表明它们是什么类型的物体）以及这些物体是如何相互作用的。

LIGO的灵敏度会因为经过的卡车或阵风而产生很多错误信号。甚至探测器镜子中原子的运动也能模拟引力波的信号。

• 2019年4月3日，法国万古，一辆卡车在涡轮前行驶。

这就是为什么有两台LIGO仪器，如果它们在同一时间探测到信号，很有可能是引力波正在穿过地球。LIGO定期升级，使其更加敏感和强大。最近增加了一种新的仪器，可以通过挤压光线来减少误报警。

• 研究人员在LIGO的引力波探测器中安装了一个新的量子压缩装置。

通过在量子层面上压缩光粒子（光子），该仪器减少了光子波动，而光子波动会在数据中产生噼啪声。减少这种背景噪音可以让LIGO探测到来自约15%远源的引力波。

挤压工具允许LIGO进行高达50%的检测。光子压缩器帮助LIGO-Virgo在去年仅仅6个月的时间里探测到39个可能的引力波事件。

• 一个超级计算机模拟描绘了一对中子星碰撞、合并并形成一个黑洞。

这大约是每五天发生一次事件，一个创纪录的探测率，对于引力波物理学的新兴领域来说是个好消息。

“我们对引力波源的数量有了更丰富的了解，”在马普引力物理研究所领导LIGO研究小组的弗兰克在一份新闻稿中说。“这些天体的质量跨度非常大，从大约太阳的质量到超过太阳的90倍。有些离地球很近，有些离地球很远。”它探测到的其中一个事件揭示了一种物理学家认为不可能存在的黑洞。

• 超大质量的黑洞和它周围的气体盘，其中两个较小的，嵌入的黑洞绕着另一个旋转。

在那次事件中，两个黑洞相撞，其中一个的质量是太阳的85倍。这在许多物理学家认为不可能的范围内。

“这正是我所预测的不存在的，”建模大质量恒星死亡的天体物理学家斯坦·伍斯利说。“一个大黑洞正好在禁区的正中央。”他的模型表明，质量在50到130个太阳质量之间的恒星会在一种独特的超新星爆炸中死亡，这种超新星爆炸会湮灭恒星，不会留下任何物质坍缩成致密的黑洞。

• 工程师们开始升级LIGO探测器内部的真空系统，为2019-2020年的观测做准备。

由于新冠疫情，LIGO在今年3月缩短了原定全年的观测周期。日本今年加入了全球引力波网络，并拥有了自己的天文台，Kamioka引力波探测器（KAGRA）。

• 2015年11月6日，KAGRA系统被安置在地下200米的一个巨大的L形隧道中。

KAGRA于今年2月开始了它的第一次观测，但它还不够灵敏，无法探测到LIGO和室女座所能探测到的引力波。随着时间的推移，科学家和工程师将调试和升级KAGRA。它位于地下隧道的位置应该能使KAGRA远离风和过往车辆的背景噪音。

• 日本的地下重力波探测器图。

在日本天文台的帮助下，科学家们希望能以三倍于以往的精度缩小遥远灾难发生地点的范围。KAGRA也是第一个低温冷却镜子的探测器，减少来自移动分子的假信号。

• 为KAGRA准备的50磅重的蓝宝石镜子

原子总是在振动，振动的能量就是我们所说的热量。低温技术（使用液化气使温度降到零下238华氏度以下）可以充分冷却材料，使分子几乎停止振动。总的来说，增加新的天文台可以帮助研究人员更准确地探测到更多的引力波。

• 处女座在意大利乡村的鸟瞰图。

这是因为额外的数据使得地球上的望远镜更容易确定产生这些波的碰撞。根据LIGO天体物理学家Vicky Kalogera的说法，这个新的全球网络最终每年可以探测到100次碰撞。

• 2018年8月，KAGRA隧道入口

另一个天文台，印度LIGO，预计将在2025年加入该网络。从2022年开始，LIGO、Virgo和KAGRA将花费一年时间一起监听引力波。

• 技术人员在华盛顿汉福德安装先进的LIGO升级系统。

黑洞和中子星的合并是一个独特的实验室，随着探测器的改进，发现的速度只会加快。