2016年2月11日，科學家宣佈雷射干涉引力波天文臺（LIGO）探測到了由黑洞合併產生的時空漣漪。大約13億年前，兩個黑洞越旋越近，直到它們猛烈撞擊。每個黑洞都將大約相當於我們太陽質量30倍的物質壓縮到一個微小的體積中，它們的正面撞擊發生在兩者接近光速時。這次驚人的合併產生了新的黑洞，並創造了一個如此強大的引力場，以至於它以波的形式扭曲了時空，這些波以大約比可觀測宇宙中所有閃耀的恆星和星系的總和還要強50倍的能量在空間中傳播。
令人難以置信的是，這類事件被認為在太空中很常見，但這次碰撞是同類事件中的首次探測，其波也是首次被觀測到。在備受期待的LIGO華盛頓特區會議（在美國和歐洲至少同時舉行的五個活動之一）上，科學家們宣佈，歷時半個多世紀的引力波搜尋終於成功了。
LIGO執行主任戴維·雷澤在釋出會上說：“這真是一項科學上的登月計劃，我們做到了，我們登上了月球。”
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阿爾伯特·愛因斯坦在1916年首次根據他的廣義相對論預測了引力波，但即使是他也在猶豫它們是否真的存在。科學家們從1960年代開始尋找時空中的這些漣漪，但直到現在才有人成功地測量到它們對地球的影響。LIGO的第一個發現，已被《物理評論快報》接受發表，不僅為引力波提供了第一個直接證據，而且還為利用它們研究產生它們的強大宇宙事件打開了大門。“這是一件大事，”安大略省 Perimeter 理論物理研究所的物理學家路易斯·萊納說，他與LIGO專案無關。“它以非常強大的方式推動了引力基本理論的發展，併為我們提供了探索宇宙深層問題的絕佳工具。”
在最初的觀測之後，LIGO團隊又宣佈了兩項引力波的發現，其中包括2016年晚些時候提出的一個訊號，該訊號由質量小於原始雙黑洞的兩個黑洞產生，以及今年春天報告的另一個訊號，該訊號來自兩個黑洞，其距離約為第一次碰撞的三倍。
“有史以來最複雜的系統之一”
超過1000名科學家在耗資10億美元的LIGO實驗中工作，該實驗由國家科學基金會資助。該專案使用位於華盛頓州和路易斯安那州的兩個探測器來感知引力波穿過地球時發生的空間扭曲。每個探測器的形狀都像一個巨大的L形，腿長四公里。雷射在腿部來回反射，從鏡子上反射，令人驚訝的是，精確的原子鐘測量了完成這段旅程所需的時間。通常，兩條腿的長度完全相同，因此光線穿過每條腿所需的時間也完全相同。但是，如果引力波透過，探測器和其下方的地面將在一個方向上無限小地膨脹和收縮，並且兩條垂直的腿將不再具有相同的大小。其中一個雷射將比另一個雷射晚到一瞬間。
LIGO必須具有令人難以置信的靈敏度才能測量腿部長度的這種變化，這種變化小於質子直徑的萬分之一，或者小於銀河系跨度中足球的大小。“這是人類有史以來建造的最複雜的系統之一，”馬爾卡說。“有太多的旋鈕要轉動，太多的東西要對齊，才能達到[靈敏度]。” 事實上，該實驗非常精細，以至於不相關的事件，例如飛過頭頂的飛機、撞擊建築物的風或探測器下方地面中微小的地震位移，都可能以模仿引力訊號的方式干擾雷射。“如果我在控制室裡拍手，你就會看到一個尖峰訊號，”哥倫比亞大學LIGO團隊的另一位成員伊姆雷·巴託斯說。研究人員仔細地排除了此類汙染訊號，並且還利用了華盛頓州和路易斯安那州的探測器不太可能在同一時間受到相同汙染的影響這一事實。“透過比較兩個探測器，我們可以更加確定我們所看到的是來自地球外部的東西，”巴託斯補充道。
LIGO於2002年開始首次執行，並搜尋到2010年，但沒有發現任何引力波。然後，科學家們關閉了實驗，並升級了探測器的幾乎所有方面，包括提高雷射的功率和更換鏡子，以便進行後續執行，稱為高階LIGO，該運行於2015年9月18日正式開始。然而，即使在那之前，實驗也在執行：訊號於9月14日美國東部時間凌晨5:51到達，比到達華盛頓的探測器早7毫秒到達路易斯安那州的探測器。高階LIGO的靈敏度已經比最初的LIGO高出大約三倍，並且設計在未來幾年內使其靈敏度比第一個迭代高出大約10倍。
期待已久
在此次發現之前，引力波最強有力的證據間接來自對超高密度自旋中子星（稱為脈衝星）的觀測。1974年，約瑟夫·泰勒和拉塞爾·赫爾斯發現了一顆圍繞中子星旋轉的脈衝星，後來的觀測表明，脈衝星的軌道正在縮小。科學家們得出結論，脈衝星一定是以引力波的形式損失能量——這一發現為泰勒和赫爾斯贏得了1993年諾貝爾物理學獎。自從這個線索以來，天文學家們一直希望探測到波本身。“我當然期待這一事件很久了，”泰勒說。“這是一個漫長的歷史，我認為需要這麼長時間才能取得成果的專案需要大量的耐心。現在是時候了。”
這一發現不僅證明了引力波的存在，而且也是迄今為止對黑洞存在的最有力證實。“我們認為黑洞存在於那裡。我們有非常強烈的證據表明它們確實存在，但我們沒有直接證據，”萊納說。“一切都是間接的。鑑於黑洞本身除了引力波外無法發出任何訊號，這是證明黑洞存在的最直接方式。”
LIGO研究引力波特徵的能力將使科學家能夠以全新的方式研究黑洞。研究人員希望瞭解兩個黑洞如何碰撞的細節，以及是否像理論所暗示的那樣會產生新的黑洞。“我們談論的是兩個不發光的物體——它們完全是黑暗的，”巴納德學院的理論家詹娜·萊文說，她不在LIGO合作組織之外。“在碰撞的細節以及引力波方面，你可以看到新黑洞的形成。” 該天文臺還應該能夠探測到其他災難性事件產生的引力波，例如超新星爆發和兩顆中子星的碰撞。
LIGO和未來的引力波實驗還將使物理學家能夠檢驗廣義相對論。這個有100年曆史的理論經受住了時間的考驗，但它仍然與統治亞原子領域的量子力學理論相沖突。“我們知道廣義相對論在某個時候應該會出現裂縫，而它顯示裂縫的方式將引導我們的理論走向更完整的理論，”萊納說。“與之前最強烈的測試（來自脈衝星的觀測）相比，這使得該理論向前推進了六個數量級。”
高階LIGO現在正處於第二次觀測執行中，並將於今年晚些時候開始關閉約15個月進行升級。科學家們預計將LIGO的靈敏度提高四到五倍，這將使其探測黑洞雙星的頻率比目前高約100倍。LIGO是許多將加入引力天文學新時代的觀測站中的第一個。一個類似的專案，義大利的高階室女座實驗，已經加入了LIGO，儘管它以較低的靈敏度執行。在本十年晚些時候，日本的神岡引力波探測器（KAGRA）將開始觀測。印度的探測器計劃也在進行中。稱為脈衝星計時陣列的地面望遠鏡專案旨在透過記錄脈衝星發出的光在穿過被波拉伸的空間後到達地球的延遲來研究引力波。名為麗莎探路者的航天器於2017年6月結束了其為期16個月的任務，以測試擬議的空間天文臺的技術，該天文臺將對來自超大質量黑洞碰撞的更長波長引力波敏感。
“每次你開啟通往宇宙的新視窗，我們總是會發現新的事物，”萊納說。“這就像伽利略將第一架望遠鏡指向天空一樣。最初他看到了一些行星和衛星，但隨著我們獲得射電、紫外線和X射線望遠鏡，我們發現了更多關於宇宙的資訊。我們幾乎正處於伽利略開始看到地球周圍第一個物體的那一刻。它將對該領域產生如此巨大的影響。”