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在處女座重力波天文臺內(nèi)，一名工作人員正在檢查懸掛在鏡子上的石英纖維。

阿爾伯特·愛因斯坦曾預言，像黑洞和中子星這樣的超大質(zhì)量物體在碰撞時，會在時空中產(chǎn)生漣漪。愛因斯坦認為人類無法探測到這些漣漪，也就是引力波。

但100年后，激光干涉引力波天文臺（LIGO）證明他錯了?，F(xiàn)在，一個全球天文臺網(wǎng)絡已經(jīng)探測到50種可能來自猛烈空間碰撞的引力波。天文臺仍在變得越來越強大和精確。當巨大無比的物體在太空中猛烈碰撞時，它們會在時空中發(fā)出漣漪，在宇宙中回響數(shù)十億年。

碰撞發(fā)生很久之后，這些引力波（最初由阿爾伯特·愛因斯坦提出理論）會穿過地球。在過去的五年里，華盛頓州、路易斯安那州和意大利的一套三英里長的設備一直在監(jiān)聽這些引力波。這兩個美國探測器組成了激光干涉引力波天文臺。

愛因斯坦預言，地球上的噪音和振動會使我們永遠無法探測到引力波。但這些天文臺證明他錯了?？茖W家們發(fā)現(xiàn)了黑洞和中子星之間的劇烈碰撞。他們發(fā)現(xiàn)了不應該存在的黑洞。他們已經(jīng)確定了宇宙中幾乎所有的金、鉑和銀的起源。

2019年10月，LIGO研究人員宣布，這些實驗在去年僅6個月的觀測中就發(fā)現(xiàn)了39個新的引力波事件。總的來說，科學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了50次可能的引力波。下面是天體物理學家如何證明愛因斯坦關于引力波的觀點是正確的。

1916年，愛因斯坦預測，黑洞和中子星等大質(zhì)量物體的碰撞會產(chǎn)生引力波。

1944年，阿爾伯特·愛因斯坦在新澤西州普林斯頓的家中。

根據(jù)他的相對論，這些物體的絕對質(zhì)量會扭曲時空的結構。當它們碰撞在一起時，這些天體會立即將相當于幾個太陽的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為純引力波能量。如此猛烈的碰撞在時空中產(chǎn)生的漣漪會在各個方向回響，以光速穿越宇宙。這些波最終可能穿過地球，扭曲我們的空間和時間，但愛因斯坦認為我們永遠無法探測到它們。

動畫夸大了引力波通過地球時的時空彎曲效應。

它們似乎太弱了，無法從我們星球上的噪音和振動中分辨出來。上世紀90年代末，研究人員建立了兩個大型實驗，試圖收集引力波。

這個位于華盛頓漢福德的L形LIGO天文臺是世界上最早的兩個引力波探測器之一。

其中一個l形探測器是在華盛頓的漢福德建造的。每條手臂都有2.5英里長。另一座建在路易斯安那州的利文斯頓。它們共同組成了一個天文臺，即LIGO。

在最初的13年里，大家都沉默不語。但隨后，LIGO探測器從13億光年之外的兩個黑洞的合并中感受到了它們在時空中的第一次漣漪。

技術人員檢查了LIGO實驗內(nèi)部鏡面的涂層。

這一發(fā)現(xiàn)證明了愛因斯坦關于引力波的理論是正確的，開辟了天文學的新領域。協(xié)助構想這個實驗的三位研究人員獲得了諾貝爾物理學獎。

LIGO科學家將這些信號描述為“啾啾”，因為它們在數(shù)據(jù)中發(fā)出的聲音。引力波以聲音的形式通過，因為它們會引起振動。當兩個黑洞和中子星彼此靠近時，振動的頻率就會增加，從而導致聲音的音調(diào)增加。這就是啾啾聲的來源。

2017年，LIGO和它的意大利伙伴Virgo察覺到了兩顆中子星合并后的漣漪。

兩顆中子星相撞的圖解

中子星是死亡恒星的超高密度殘留物。當它們合并時，很可能形成了一個新的黑洞。這次災難性的碰撞還鑄造了相當于50個地球質(zhì)量的白銀，100個地球質(zhì)量的黃金和500個地球質(zhì)量的鉑。脫離黑洞引力的部分最終可能會變成新的行星。

去年，這些天文臺探測到近10億年前一個黑洞吞噬一顆中子星時發(fā)出的波。

這完成了三次猛烈、大規(guī)模的空間碰撞，即黑洞與黑洞的碰撞，中子星與中子星的碰撞，以及黑洞吞噬中子星。LIGO和Virgo使用一種聰明的方法來探測這些波。首先，每個探測器發(fā)射出一束激光并將其一分為二。一束光線被發(fā)送到2.5英里長的管道，另一束則被發(fā)送到相同的垂直管道。光束從鏡子反射回來，在分光器附近匯合。來自激光束的光波以相同的長度返回，并以一種相互抵消的方式排列。結果，儀器的光探測器看不到任何光。

但是當引力波穿過時，它會使時空發(fā)生扭曲，使一個管子稍微長一些，另一個管子稍微短一些。這種有節(jié)奏的拉伸和擠壓扭曲一直持續(xù)到波通過為止。當這種干涉發(fā)生時，這兩束光不再以相同的長度返回，所以它們不會對齊，也不會相互中和。結果，探測器記錄了一些閃光。因此，測量這些亮度變化的物理學家就是在測量和觀察引力波。

一名技術人員檢查一個LIGO的鏡子，以一個掠視角度用光線照亮它的表面。

根據(jù)LIGO團隊的研究，當一個波經(jīng)過時，一只手臂的長度變化不到亞原子質(zhì)子粒子寬度的1/10,000。科學家可以根據(jù)兩束激光束到達的不同時間來了解產(chǎn)生這些波的事件。

一臺計算機利用探測器到達的時間來計算探測器臂長變化的程度以及變化的速度。這種“干涉模式”幫助研究人員首先確定產(chǎn)生引力波的物體的質(zhì)量（這反過來可以表明它們是什么類型的物體）以及這些物體是如何相互作用的。

LIGO的靈敏度會因為經(jīng)過的卡車或陣風而產(chǎn)生很多錯誤信號。甚至探測器鏡子中原子的運動也能模擬引力波的信號。

2019年4月3日，法國萬古，一輛卡車在渦輪前行駛。

這就是為什么有兩臺LIGO儀器，如果它們在同一時間探測到信號，很有可能是引力波正在穿過地球。LIGO定期升級，使其更加敏感和強大。最近增加了一種新的儀器，可以通過擠壓光線來減少誤報警。

研究人員在LIGO的引力波探測器中安裝了一個新的量子壓縮裝置。

通過在量子層面上壓縮光粒子（光子），該儀器減少了光子波動，而光子波動會在數(shù)據(jù)中產(chǎn)生噼啪聲。減少這種背景噪音可以讓LIGO探測到來自約15%遠源的引力波。

擠壓工具允許LIGO進行高達50%的檢測。光子壓縮器幫助LIGO-Virgo在去年僅僅6個月的時間里探測到39個可能的引力波事件。

一個超級計算機模擬描繪了一對中子星碰撞、合并并形成一個黑洞。

這大約是每五天發(fā)生一次事件，一個創(chuàng)紀錄的探測率，對于引力波物理學的新興領域來說是個好消息。

“我們對引力波源的數(shù)量有了更豐富的了解，”在馬普引力物理研究所領導LIGO研究小組的弗蘭克在一份新聞稿中說?！斑@些天體的質(zhì)量跨度非常大，從大約太陽的質(zhì)量到超過太陽的90倍。有些離地球很近，有些離地球很遠?！彼綔y到的其中一個事件揭示了一種物理學家認為不可能存在的黑洞。

超大質(zhì)量的黑洞和它周圍的氣體盤，其中兩個較小的，嵌入的黑洞繞著另一個旋轉(zhuǎn)。

在那次事件中，兩個黑洞相撞，其中一個的質(zhì)量是太陽的85倍。這在許多物理學家認為不可能的范圍內(nèi)。

“這正是我所預測的不存在的，”建模大質(zhì)量恒星死亡的天體物理學家斯坦·伍斯利說?！耙粋€大黑洞正好在禁區(qū)的正中央?！彼哪Ｐ捅砻?，質(zhì)量在50到130個太陽質(zhì)量之間的恒星會在一種獨特的超新星爆炸中死亡，這種超新星爆炸會湮滅恒星，不會留下任何物質(zhì)坍縮成致密的黑洞。

工程師們開始升級LIGO探測器內(nèi)部的真空系統(tǒng)，為2019-2020年的觀測做準備。

由于新冠疫情，LIGO在今年3月縮短了原定全年的觀測周期。日本今年加入了全球引力波網(wǎng)絡，并擁有了自己的天文臺，Kamioka引力波探測器（KAGRA）。

2015年11月6日，KAGRA系統(tǒng)被安置在地下200米的一個巨大的L形隧道中。

KAGRA于今年2月開始了它的第一次觀測，但它還不夠靈敏，無法探測到LIGO和室女座所能探測到的引力波。隨著時間的推移，科學家和工程師將調(diào)試和升級KAGRA。它位于地下隧道的位置應該能使KAGRA遠離風和過往車輛的背景噪音。

日本的地下重力波探測器圖。

在日本天文臺的幫助下，科學家們希望能以三倍于以往的精度縮小遙遠災難發(fā)生地點的范圍。KAGRA也是第一個低溫冷卻鏡子的探測器，減少來自移動分子的假信號。

為KAGRA準備的50磅重的藍寶石鏡子

原子總是在振動，振動的能量就是我們所說的熱量。低溫技術（使用液化氣使溫度降到零下238華氏度以下）可以充分冷卻材料，使分子幾乎停止振動?？偟膩碚f，增加新的天文臺可以幫助研究人員更準確地探測到更多的引力波。

處女座在意大利鄉(xiāng)村的鳥瞰圖。

這是因為額外的數(shù)據(jù)使得地球上的望遠鏡更容易確定產(chǎn)生這些波的碰撞。根據(jù)LIGO天體物理學家Vicky Kalogera的說法，這個新的全球網(wǎng)絡最終每年可以探測到100次碰撞。

2018年8月，KAGRA隧道入口

另一個天文臺，印度LIGO，預計將在2025年加入該網(wǎng)絡。從2022年開始，LIGO、Virgo和KAGRA將花費一年時間一起監(jiān)聽引力波。

技術人員在華盛頓漢福德安裝先進的LIGO升級系統(tǒng)。

黑洞和中子星的合并是一個獨特的實驗室，隨著探測器的改進，發(fā)現(xiàn)的速度只會加快。

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