大約13億年前，兩個黑洞彼此靠近旋轉，最終猛烈撞擊。每個黑洞都將大約30倍太陽質量的物質壓縮到一個極小的體積內，當兩者接近光速時，正面撞擊發生了。這次驚人的合併產生了新的黑洞，併產生了強大的引力場，其強度足以扭曲時空，形成波浪，以大約相當於可觀測宇宙中所有發光恆星和星系能量總和的50倍的力量在太空中傳播。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首次被探測到的，其波也是首次被觀測到的。雷射干涉引力波天文臺（LIGO）的科學家在華盛頓特區舉行的一場備受期待的新聞釋出會上（這是在美國和歐洲至少同時舉行的五場活動之一）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·雷茨在釋出會上說：“這真是一項科學領域的登月計劃，我們做到了，我們登上了月球。”
哥倫比亞大學物理學家、LIGO團隊成員紹博爾奇·馬爾卡說：“有些人為這項搜尋付出了畢生精力，還有些人在有機會看到任何成果之前就去世了。真正令人感到欣慰的是，你驗證了這項巨大工作的投入。而且不僅僅是你發現了什麼，而是你給了所有人，給了全人類一些東西。”
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阿爾伯特·愛因斯坦在1916年首次基於他的廣義相對論預言了引力波，但即使是他自己也對它們是否真實存在猶豫不決。科學家們從20世紀60年代開始尋找這些時空漣漪，但直到現在才有人成功測量到它們對地球的影響。LIGO的發現已被《物理評論快報》接受發表，這不僅為引力波提供了第一個直接證據，也為利用引力波研究產生它們的強大宇宙事件打開了大門。“這是一件大事，”安大略省圓周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。“它以非常有力的方式推動了基本引力理論的發展，併為我們提供了一個令人難以置信的工具來探測宇宙的非常深刻的問題。”
“有史以來建造的最複雜的系統之一”
超過1000名科學家參與了耗資10億美元的LIGO實驗，該實驗由國家科學基金會資助。該專案使用兩個探測器，一個位於華盛頓州，另一個位於路易斯安那州，來感知引力波穿過地球時發生的空間扭曲。每個探測器都形如巨大的L，腿長四公里。雷射在腿中來回反射，從鏡子上反射，令人驚訝的精確原子鐘測量雷射完成這段旅程所需的時間。通常，兩條腿的長度完全相同，因此雷射穿過每條腿所需的時間完全相同。然而，如果引力波穿過，探測器和下方的地面將在一個方向上無限小地膨脹和收縮，兩條垂直的腿將不再具有相同的尺寸。其中一束雷射將比另一束雷射晚到一瞬間。
圖表作者：JEN CHRISTIANSEN
LIGO必須極其靈敏才能測量到腿長變化的程度，這比質子直徑的萬分之一還小，或者比作銀河系的跨度，就像足球與銀河系跨度相比一樣小。“這是人類有史以來建造的最複雜的系統之一，”馬爾卡說。“要實現這種[靈敏度]，需要調整的旋鈕太多了，需要對齊的東西也太多了。” 事實上，該實驗非常精細，以至於不相關的事件，如頭頂飛過的飛機、風吹動建築物或探測器下方地面微小的地震位移，都可能以類似於引力訊號的方式干擾雷射。“如果我在控制室裡鼓掌，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。研究人員仔細地剔除這些汙染訊號，並利用華盛頓州和路易斯安那州的探測器極不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，我們可以更加肯定我們看到的是來自地球外部的東西。”
LIGO於2002年開始首次執行，並在2010年之前進行了搜尋，但沒有發現任何引力波。隨後，科學家們關閉了實驗，並升級了探測器的幾乎每個方面，包括提高雷射功率和更換鏡子，以便進行後續執行，稱為高階LIGO，於2015年9月18日正式開始。然而，甚至在那之前，實驗就已經啟動並運行了：訊號於9月14日美國東部時間凌晨5點51分到達，比到達華盛頓州的探測器早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高出約三倍，並且設計為在未來幾年內比第一代靈敏度高出約10倍。
期待已久
在此之前，引力波最強有力的證據間接來自於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。自從這個線索出現以來，天文學家們一直希望探測到引力波本身。“我當然一直期待著這一事件的發生，”泰勒說。“這是一個漫長的歷史，我認為需要很長時間才能結出碩果的專案需要大量的耐心。現在是時候了。”
這項發現不僅證明了引力波的存在，也是對黑洞存在的迄今為止最強有力的證實。“我們認為黑洞存在於那裡。我們有非常強有力的證據表明它們存在，但我們沒有直接證據，”萊納說。“一切都是間接的。鑑於黑洞本身無法發出引力波以外的任何訊號，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們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，以及是否像理論所預測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，”哥倫比亞大學巴納德學院的理論家詹娜·萊文說，她不屬於LIGO合作組織。“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看到由其他災難性事件產生的引力波，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。這項百年曆史的理論經受住了時間的考驗，但它仍然與支配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善的方向，”萊納說。“與之前來自脈衝星觀測的最強有力的檢驗相比，這使該理論向前推進了六個數量級。”
LIGO是眾多將加入引力天文學新時代的觀測站中的第一個。一個名為Virgo的類似專案將於今年在義大利上線，在本 decade 後期，日本的神岡引力波探測器（KAGRA）也將開始觀測。地面望遠鏡專案，稱為脈衝星計時陣列，旨在透過記錄脈衝星發出的光在穿過被波浪拉伸的空間後到達地球的延遲來研究引力波。一個名為Lisa Pathfinder的航天器於去年12月發射，以測試擬議中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的引力波敏感。
萊納說：“每次你為宇宙開啟一扇新的視窗，我們總會發現新的事物。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。我們幾乎正處在伽利略開始看到地球周圍第一個物體的那一刻。它將對該領域產生巨大的影響。”