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是谁“听到”了13亿年前那声响

2016.2.14

　　“女士们、先生们，我们已经探测到引力波，我们找到它了。”美国激光干涉引力波天文台（LIGO）执行主任戴维·赖茨2月11日在华盛顿举行的记者会上，终于说出了几个月以来人们最想听到的那句话。13亿年前两个黑洞相撞产生的“巨响”从此刻开始传遍整个地球，而LIGO这个名字，也开始响遍世界。

这是美国路易斯安那州利文斯顿市的激光干涉引力波天文台的资料照片。

　　LIGO是什么？

　　LIGO的全称是“激光干涉引力波天文台”，是美国分别在路易斯安那州利文斯顿市与华盛顿州小城汉福德市建造的两个引力波探测器。每个探测器都有两个长达4公里的测量臂，呈L型排列。为了便于理解，可以将其设想成一台极度敏感的巨型光学设备。

　　1991年，麻省理工学院与加州理工学院在美国国家科学基金会（NSF）的资助下，开始联合建设LIGO，1999年11月建成，耗资3.65亿美元。2005年至2007年间，LIGO进行过一次升级改造。升级后的LIGO，2009年7月重启，直到2010年10月结束，但未能探测到引力波存在的可靠证据。2015年，最新的激光干涉引力波天文台正式上线。目前10多个国家超过1000名科学家参与了这个搜寻引力波的项目。

　　它是怎么“听到”引力波的？

　　LIGO系统由相距1865英里（约3000公里）的两个完全相同的探测器组成。每个探测器包含由两个长度为4公里的L形真空管。科学家们通过真空管来发射激光束。每束激光到达真空管末端后，会被镜面反射，并沿相反路线返回。在同等条件下，两束激光应该在完全相同的时间抵达源头，由于干涉作用，光线不会抵达光电探测器。而一旦有引力波穿过探测器，根据爱因斯坦100年前的预测，会使两个真空管中的空间出现极其微小的拉伸与压缩，从而破坏了原有的完美平衡，使光线外泄到光电探测器上。

　　建造LIGO最难，也是LIGO最厉害的地方在于：整个探测器都需要根据地球曲率校正设计建成，尽可能避免来自地表震动的干扰；为减少大气和污染物对激光运行的干扰，还要将其置于真空之中。为确保数据准确，开机后两台探测器必须不间断地记录结果，任何一个小数据都不能遗漏。

　　有人打了一个比方来形容LIGO所能达到的精度——LIGO能在1公里的长度上找到小于原子核半径一万倍的空间变化。

　　美国东部时间2015年9月14日5时51分，位于利文斯顿的探测器首先传出撞击声，7毫秒后，汉福德的探测器也传出撞击声。这意味着有引力波传到了地球，并被两个探测器探测到。

　　LIGO项目组称，基于观测到的信号,此次探测到的引力波是由两个黑洞合并引发的。这两个黑洞的直径都在150公里左右，质量分别是太阳质量的29和36倍。据推测，两个黑洞的合并发生在13亿年前，它们不断靠近，旋转，并最终合并成一个黑洞。合并过程中产生的引力波经漫长的传播最终抵达地球。

　　据推测，两个黑洞几乎是以一半光速的超高速度碰撞在一起,并形成了一个质量更大的黑洞。这个过程中一部分的质量转化成了能量，大约三倍于太阳质量的物质在短短一秒之内转化成了引力波。这一引力波首先到达利文斯顿探测器,7毫秒之后到达汉福德探测器。引力波信号就是这样发出并被LIGO观测到的。

　　LIGO之外还有谁？

　　在LIGO项目启动后，世界各地的一些大型激光干涉引力波探测器开始筹建。

　　目前，除LIGO外，比较大型的探测器还有位于意大利比萨附近，臂长为3000米的VIRGO；位于德国汉诺威附近，臂长为600米的GEO；以及日本东京国家天文台，臂长为300米的TAMA300。这些探测器在2002年至2011年期间共同进行观测，但并未探测到引力波。此外，还有欧洲的空间引力波项目eLISA和日本的大型低温引力波望远镜KAGRA。

　　此前的消息，LIGO实验室和印度引力波物理学界已经达成协议，计划把LIGO的一部分实验设备运往印度，并在印度开设一个LIGO-India的引力波观测站。

　　中国引力波探测工程“天琴计划”已经于2015年7月份正式启动，部分关键技术研究已有具体进展，目前正在立项中。据介绍，中山大学“天琴计划”是以引力波研究为中心，开展空间引力波探测计划任务的预先研究，制定中国空间引力波探测计划的实施方案和路线图，并开展关键技术研究。

　　能够预见的是，引力波的发现，将会进一步刺激各国的研究进度，世界各地的引力波研究计划的推进也会更为迅速。

探测器引力波 LIGO ligo

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