引力波再次來襲。科學家們在二月份宣佈了他們里程碑式的發現，即時空中的這些漣漪，並在週三透露，他們探測到了更多——再次是由一對碰撞的黑洞引起的。當兩個如此難以置信的緻密物體相互碰撞時，所涉及的巨大引力是如此災難性的，以至於它使時空變形，以強大的波浪形式彎曲時空，這些波浪清晰地穿越宇宙。第二項發現表明，最初的發現並非罕見的意外收穫，而僅僅是未來更多發現的預兆，預示著一個新時代的到來，在這個時代，天文學家可以使用引力波，而不是光，來“看到”黑洞和隱藏宇宙的其他不可見組成部分。
這些波是阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論預測的，但在雷射干涉引力波天文臺 (LIGO) 團隊去年九月觀測到它們之前，從未被直接探測到。他們的後續發現激發了物理學家們的希望，他們很快將收集到足夠的發現，以研究黑洞“碰碰車”的頻率以及它們的起源。更多的發現還將幫助研究人員使用引力波在極端環境中檢驗相對論——可能證實該理論，甚至指向更深層次的自然規律。
路易斯安那州立大學的 LIGO 發言人加布裡埃拉·岡薩雷斯說：“我們的目的不僅僅是探測到第一個引力波，或者證明愛因斯坦是對的還是錯的——而是建立一個天文臺。”“現在我們可以真正地說，LIGO 的目標已經得到了證明。”該發現已被《物理評論快報》接受發表，是 LIGO 的第二次確鑿探測；該團隊還遇到過一次“候選”事件，但由於太弱而無法確認，並在二月份與第一個決定性發現一起報告了該事件。LIGO 目前的成功很好地表明，它將能夠穩定地發現引力波。亞利桑那州立大學理論物理學家勞倫斯·克勞斯說：“它使我們能夠探索宇宙的字面意義上的黑暗面，他沒有參與 LIGO。“引力波天文學將成為 21 世紀的天文學。”
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較小的黑洞
根據科學家的計算，新發現的引力波始於大約 14 億年前，當時兩個黑洞——一個大約是太陽質量的 14 倍，另一個大約是太陽質量的 8 倍——逐漸相互靠近並最終撞擊在一起。這次撞擊產生了一個新的黑洞，其質量是太陽質量的 21 倍——母黑洞中缺失的質量以引力波的形式轉化為能量。與 LIGO 的首次探測（來自兩個更大的碰撞黑洞，每個大約 30 個太陽質量）相比，這次合併產生的引力波頻率更高，並且“可見”時間比最初發現中涉及的引力波更長。在那種情況下，科學家們只觀察到黑洞彼此繞行一到兩個軌道，但在這裡他們能夠追蹤到這些物體在碰撞前的最後 27 個軌道。“這使得能夠更好地檢驗廣義相對論，並更好地表徵黑洞的引數，”岡薩雷斯說。
這一次，研究人員還能夠測量黑洞的自旋速率，並發現至少較大的那個肯定在旋轉，可能達到黑洞最大理論自旋的 20% 左右。西北大學的 LIGO 團隊成員 Vicky Kalogera 說：“在第一次探測中，看起來兩個黑洞可能是不旋轉的，所以這是一個新的發現。”
週三宣佈的引力波於 2015 年 12 月 26 日到達 LIGO——就在該天文臺於 9 月 14 日看到其第一個訊號之後不到三個月。LIGO 使用兩個探測器——一個在路易斯安那州，另一個在華盛頓州——來捕捉當引力波穿過地球時發生的時空擠壓和膨脹。這兩個探測器都是巨大的 L 形，腿長四公里。科學家們使用鏡子將雷射束在腿上來回反射，並測量完成行程所需的時間。在正常情況下，兩條腿的長度相同，兩條光束的傳播時間完全相同。但是，如果引力波透過，鏡子之間的空間將在一個方向上微小地膨脹和收縮，並且兩條垂直的腿將短暫地具有不相等的長度，導致其中一個雷射束比另一個雷射束晚到達一小部分秒。
先進 LIGO 在 2015 年 9 月至 2016 年 1 月的初始執行中，已確認兩次引力波探測，並看到一次候選事件。第二次執行計劃於今年晚些時候開始。圖片來源：LIGO
這種變化是無窮小的——為了探測到波，LIGO 必須能夠測量小於質子直徑萬分之一的長度差異。這項耗資 10 億美元的實驗現在正式稱為先進 LIGO，是自 1960 年代以來一直在醞釀的一個專案的升級版本，並於 2002 年首次啟動。它今年早些時候的最初發現使科學界和公眾都為之振奮，併為該實驗的創始人贏得了 2016 年卡弗裡天體物理學獎和 突破獎以及許多其他榮譽。它激發了數十篇後續理論論文，分析了該發現的各個方面，從探索黑洞與暗物質之間可能存在的聯絡，到討論它們是否根本不是黑洞，而是蟲洞。哥倫比亞大學的 LIGO 團隊成員 Szabolcs Márka 說：“最有趣的工作是在 LIGO 之外完成的。”“科學應該這樣運作。”
引力波天文學黎明之後
先進 LIGO 現已完成其從 9 月到 1 月的初始觀測執行。其探測器目前已離線進行升級，科學家計劃在 7 月進行測試執行。如果進展順利，第二次為期約六個月的即時執行可能會在夏末開始。與此同時，研究人員繼續分析第一次執行的資料。除了黑洞碰撞外，物理學家還希望找到由中子星產生的引力波——中子星是以前恆星的極小而緻密的殘骸，其中所有的質子和電子都被緊緊地擠壓在一起，以至於它們基本上合併形成中子。如果兩顆中子星碰撞在一起，理論上會引發引力波，而一顆旋轉的中子星如果有點不對稱，一側可能有突出物，也可能產生引力波。佐治亞理工學院物理學家勞拉·卡多納蒂說：“那不是像黑洞碰撞那樣的爆炸性事件——它會產生微弱得多的引力波，他是 LIGO 資料分析委員會主席。“那是一項長期的搜尋——需要時間——現在仍在進行中。”
隨著團隊收集更多資料，研究人員希望能夠更多地瞭解黑洞雙星對是如何產生的。也許大多數來自最初成對的恆星，然後死亡，變成黑洞，仍然相互繞軌道執行。另一種情況表明，雙星誕生於密集的恆星團中，當黑洞在死亡之前可能以單星開始，然後陷入彼此的引力之中。“這是我最主要的興趣——我們能否分辨出這些雙星黑洞實際上是如何在現實中形成的？”Kalogera 問道。“這些機制中是否有一種占主導地位，還是更像是混合？”
LIGO 發現的引力波越多，就越能更好地檢驗它們是否似乎符合廣義相對論的預測。儘管大多數科學家預計它們很可能會符合——畢竟，該理論迄今為止已經通過了所有考驗——但物理學家們很想看到某種與相對論的偏差，從而指向關於宇宙的更微妙的真理。這種差異可能為設計一種與量子力學相容的引力理論提供線索，量子力學是當前微觀領域的統治規則。“到目前為止，我們還沒有發現與廣義相對論不一致的地方，”卡多納蒂說，“但如果我們開始看到異常現象——這隻能透過更高的統計資料來實現——我們可能會開始探索超越廣義相對論的領域。”
無論如何，科學家們希望 LIGO 的前兩項發現僅僅是該實驗漫長而富有成效的未來的開始。“已經有三代人為此工作，”Márka 說，“至少還會有三代人。我們才剛剛走到一半。這難道不美妙嗎？”