天文学家宣布已直接观测到重力波

科学家侦测到两个黑洞相撞合并所产生的重力波（此处模拟），由于此一活动十分激烈，相撞的两个黑洞互相吞噬对方的前一刻，释放出的能量比宇宙其余部分加起来还要多。 ILLUSTRATION BY SXS COLLABORATION

电脑模拟显示，两个相互环绕运行的巨大黑洞，释放出重力波。 ILLUSTRATION BY C. HENZE, NASA

LIGO团队运用雷射和精密排列的镜子，侦测出重力波造成的微小震动。

（神秘的地球报道）据美国国家地理（撰文：Nadia Drake）：人类寻找重力波(gravitational wave)将近一个世纪之后，终于获得成功。在雷射和镜子的协助下，科学家已直接观测到重力波。

两个相互环绕运行的黑洞，一个是太阳质量的36倍，另一个是太阳质量的29倍，高速相撞，释放出重力波。

从大约13亿光年之遥，这些重力波向外扩散，有如宇宙中的涟漪，在去年9月14日通过地球，在四组镜子的距离上造成非常小、但可测量的改变－其中两组镜子在路易斯安那州，另外两组在华盛顿州。

在两个黑洞合并的最后一刻，它们释放出的能量是宇宙所有银河所有恒星释放能量总和的50倍。

加州理工学院物理学家莱兹(David Reitze)在记者会上宣布这项重大发现时表示：「这是宇宙首次以重力波与我们对话。」

对于监控「雷射干涉仪重力波天文台」 (LIGO)的科学家而言，地球上收到的讯息像是鸟儿啁啾（chirp），先前预期将会伴随两个黑洞的死亡与合一而来。

「我们可以听到重力波，我们可以听到宇宙，」路易斯安那州立大学物理与天文学教授凯碧欧拉･冈萨雷兹(Gabriela Gonzalez)说。 「我们不仅可以看到宇宙，现在还能用听的。」

许多人认为，这项发现可望赢得诺贝尔奖。有关LIGO团队这项重大发现的消息在社群媒体上流传已久，就算没有数月、也有数周的时间，不断传出即将会有正式的发布会。

经过数十年的计画和戏剧性的政治事件之后，LIGO团队在2002年首次尝试侦测重力波；经过八年无声无息之后，侦测器在2010年关闭，并且进一步隔离干扰噪音。

所以，当LIGO团队进阶观测工作于去年9月18日再度展开时，科学家相当乐观相信，他们可以找到某些东西。

命运的奇特转折，他们已掌握到一次侦测。在正式观测开始之前，侦测器已启动和运行，并已获得一项极度诱人的讯息。这项讯息先被路易斯安那州侦测器发现，千分之七秒后，华盛顿州也侦测到了。

「我们很有信心，当状况来临，一定是好的状况。我们是否会惊讶状况好到像是梦幻一般？当然会。我的反应是，哇。我真是难以置信。」莱兹说。

当黑洞相撞

运用爱因斯坦的方程式，科学家从可观察波返回，回头来决定何种天体物理活动造成重力波。在本案例中，这些方程式指出，两个相撞的黑洞是元凶，并且当它们合并时，会形成一个新的黑洞，是太阳质量的60倍多。

黑洞由死亡和殒落的恒星组成，是已知宇宙中最为奇特的天体之一；如果你可以称它们为「天体」。 「一般很容易把黑洞想成一团物质，由于十分密集，以致它的引力捕捉一切靠得太近的东西，甚至是光。但是，要称黑洞是『物质』或『天体』，倒不如称它是强烈弯曲、无底空时的区域。因此，当两个黑洞合并时，这活动决不普通。」

「有点像是弯曲空间的翻腾混乱，快速地变动中，」温斯坦如此形容。

在LIGO团队侦测到的相撞中，两个黑洞慢慢地互相环绕运行，长达数百万年或是数十亿年之久。但是，随着两个黑洞愈来愈接近，它们的轨道速度加快，直到最后以大约光速的一半互相环绕运行，并释放出巨大的能量，以扭曲空时的重力波形式呈现。

然后，两个黑洞合并。在合并前的最后一刻，环绕运行的两个黑洞释放出更多的能量，比整个宇宙释放所有形式的能量还要多。一旦合并完成，合并产生的新黑洞左右摇晃，随即安定下来，进入所谓的铃荡(ring-down)阶段，也就是安静下来前的最后喘气。

这是令人印象深刻的故事，由地球上镜子之间的极小距离改变所揭露。

国家无线电天文台（National Radio Astronomy Observatory）天文学家史考特･兰森（Scott Ransom）表示﹕「数据看来令人十分惊异。」他看过LIGO团队的手稿，稿件并已刊登于《物理评论通讯》 （Physical Review Letters）。 「看到侦测器『原始』输出中的波，没有任何特殊的统计格​​式处理，超乎所有人的期待。」

LIGO团队的科学家相信，信息是真的；事实上，他们计算过，误报的机率每20万年不会超过一次以上。对于团队目前收集到的所有潜在重力波侦测，并不适用。团队发现，至少还有一个候选信息，那是在去年10月12日侦测到的，是由合并的黑洞所产生，但科学家不敢断言这不是误报。

新纪元，外加其他搜寻

这次发现是科学家首次直接捕捉到重力波，并非首次证明重力波的存在。 1974年，乔･泰勒（Joe Taylor）和罗素･赫尔斯（Russell Hulse）侦测到当时一种新的奇异天体﹕脉冲双星，也就是两颗中子星互相环绕运行。泰勒和赫尔斯确定，脉冲星的轨道收缩，并且了解唯一的原因就是重力波把能量带离了系统。

这项发现证明了重力波的存在，泰勒和赫尔斯因此赢得1993年诺贝尔物理奖。

这里的差别在于LIGO团队直接观测到地球上的重力波，这项发现将为天文学开创新的纪元，协助天文学家更进一步窥探宇宙。

以重力波来观看宇宙，可能类似科学家首次以红外线、X光或微波观看天空。数千年以来，天文学家以可见波波长观看天空；人们可以看到恒星和行星，观看它们在天际移动。但是红外线宇宙充满炙热、含尘量高的星团，那里正是恒星诞生之地；X光宇宙可见恒星尸体；微波宇宙充满大霹雳的热遗迹。以重力波观看天空，同样将为天文学带来革命性的影响。

身为普林斯顿大学天文物理学家的泰勒以黑洞为例指出，「电磁辐射并未让我们如愿以偿，这是研究宇宙中远距天体和现象的新方法。」「我们怀疑黑洞可能存在，我们已在银河的中心看过黑洞的证据，如今我们将有直接侦测黑洞的方法，这和以往是很不一样的。」

聆听重力波

LIGO团队观测到，当两个黑洞愈来愈接近，它们释出重力波，频率和振幅都增加，地球上收到的讯息像是鸟儿啁啾（chirp）。影片中最先的啁啾是重力波的频率，接下来的啁啾频率较高，比较适合人类的听觉范围。

不仅如此，在未来的数十年中，其他的实验可能也会侦测重力波。其中一项名为「NANOGrav」，使用毫秒脉冲星－控制时间出奇精准－当作天然的重力波侦测器。随着重力波穿越脉冲星，它们会短暂干扰脉冲星转动的时机，因而留下证据记号，可在天际上追踪。

LIGO团队关注恒星质量激变所产生的重力波，和LIGO团队不一样的是，这些脉冲星转动时机排列，将可侦测盘旋上升的超大质量黑洞所产生的更长涟漪现象。

另一个倡议中的实验是发射重力波观测器eLISA进入太空，届时将对所有天体物理系统产生的波保持敏锐。然后，也有团队志在寻找原始重力波，那是宇宙初期快速扩张时所产生的。 2014年，BICEP2团队宣布发现这些重力波，但讯息后来证明不确实。

重力波天文学要成为主流还要一阵子。但是，如果成真，迄今仍停留在数学范畴的这些极端、看不见的宇宙活动，将会进入可观察的领域，平添全新的谜团，留待人类去解决。