“引力波天文学”的后续发现

LIGO国际团队再次发现了引力波，引力波的连续发现真切地揭示了宇宙的某些秘密，2016年2月，由物理学家和天文学家组成的国际合作团队声称，他们第一次发现了最早由爱因斯坦预言的引力波，这支“连续作战”科学团队近日宣布，他们第二次探测到了深空引力波的强烈信号，从而再次证实了引力波的存在，引力波物理学的根基扎得更深。引力波天文学拓展了宇宙学研究的领域和方式，宇宙的涟漪以它特有的方式“讲述”了宇宙起源和演变的大故事，人们的日常生活所依托的地球只是宇宙进化论的一个小插曲。

1915年，阿尔伯特·爱因斯坦发表了震惊物理学界的广义相对论，这一创新的学说将引力等同于由物质的呈现方式所引起的时空弯曲，爱因斯坦和后来的科学家在广义相对论发表之后预测了引力波的存在，他们认为，加速运动的物体产生了时空变形，时空波动的“涟漪”好像“一石激起千层浪”的水波。

引力波好像水波一样向外“流淌”，但引力波非常微弱，地球上的普通仪器根本检测不到它们的存在。第二次检测到的引力波信号源与第一次检测到的相同，在遥远的太空发生了由两个紧密绕转的黑洞的碰撞与合并事件，被称为双黑洞的天体系统经历了数百万年的相互绕转，它们的绕转半径逐渐减少，最终在距今10亿年前发生了一秒时长不到的大碰撞。

第二次探测的合并黑洞的总质量比第一次探测的双黑洞合并者的总质量减少了3倍，相当于太阳质量的大约22倍。双黑洞的碰撞事件引起了宇宙时空结构的震荡，时空纤维的剧烈波动使得科学家在遥远的地球探测到了时空结构拉伸和挤压的波纹，在时空中传播的引力波达到了光速，在去年圣诞节的次日到达了地球观测站。

第二次探测的引力波信号没有显示明显的可见波形，但第一次探测的引力波信号十分明显，接收的引力波信号经过了计算机软件的处理，信号强度更易辨识。LIGO国际合作团队经过了多年努力，开发了信号处理软件，有效地读取和处理了大量数据，全球三个引力波探测器接收了信号数据，两个由先进的激光干涉仪引力波观测台或LIGO设在美国的两个州，一个先进的处女座观测台设在意大利。

第一次发现两个高质量的黑洞，很多天文学家兴奋不已，高质量黑洞的形成方式在天体物理学上是个难题，直接观测的证据表明了一个事实，在宇宙中不仅存在双黑洞系，而且它们发生了碰撞和合并事件。大质量黑洞带来了很多科学难题，诸如：它们是在宇宙大爆炸之后产生的吗？是否通过晚期恒星的崩塌作用形成的？

超大质量的恒星可能转化为黑洞，或者在单个恒星转化为黑洞之后，偶然的“遇见”使得两个“梦想合伙人”的黑洞合并为一个更大质量的黑洞，星系中心的超大质量黑洞可能是通过多次黑洞的合并形成的，而几乎在所有星系的中心都存在“巨兽”级的黑洞，它们与恒星和星系的形成与演变有关，气体云团在发生塌缩之后形成了恒星和星系，在恒星和星系的基础上组合成了宇宙结构。

当人们深入思考黑洞物理学的深奥问题时，天文事件的见证数量显得尤为重要，现有的所有数据都是由先进的LIGO在最初4个月的运行中收集的，第一次接收的引力波信号产生于两个死亡黑洞的双黑洞系，但不确定第三个黑洞的进入，信号强度的微弱使得科学家不能判断黑洞系的组成，或者是一个双黑洞系，或者是一个三黑洞系。科学家在未来会见证更多的黑洞合并事件，最终发现所有质量范围的双黑洞系，了解它们的自旋速度，多黑洞系的旋转轴如何连线，在确定黑洞如何形成时，相关的物理参数起到了关键性的作用。

LIGO合作团队接收的信号还不够充足，这些信号也许代表某种别的含义，初步的信号在天文学的概念上有十分重要的价值，信号源产生于遥远的太空，在测量最遥远的宇宙距离时，只有少数几个相对可靠的方法，引力波天文学给予了一个崭新的测量手段。随着天文观测技术的提升，强大观测力的望远镜变得可能，这将帮助天文学家绘制宇宙膨胀的“图谱”，检测最难以捉摸的暗物质和暗能量，目前的宇宙学理论还不能解释“暗世界”的性质。

先进的LIGO探测器将再次回到运行状态，它将展示更大的灵敏性和更长的观测时长，与此同时，先进的LIGO探测器将与先进的处女座引力波探测器进行数据交换，科学家希望在明年接收到差不多由10个双黑洞合并事件产生的引力波信号，预期每年会看到数十个、甚至数百个引力比事件，在大数据的基础上，科学家可以更深入地研讨这些神秘性引力波源的群体特征。设在意大利的第三个探测器也提升了灵敏度，开启了通往更多发现的征程。除此以外，科学家也希望通过中子星来观测引力波，中子星是相对低质量的恒星在爆发后留下的遗骸，相对低的引力阻止了中子星在塌缩路径上步入黑洞，与黑洞不同，中子星是一个高度压缩的核物质球体，粒子物理学设定了中子星的细节性结构。

从单个中子星或双中子星对引力波的观测，这可能揭示物质在宇宙最极端条件下表现的物理特性，三台引力波探测器的合作探索，这意味着当一个引力波信号出现时，科学家将会更准确地确定信号源在太空的位置，同时可以辨别由常规望远镜看到的电磁波信号，中子星的碰撞产生了闪射，从中子星的引力波和电磁波信号源产生了科学的双重收益，科学家得到了对宇宙结构探索的更多线索。在未来的几年，科学界将会研制以太空为基地的引力波探测器，已取得很大成功的LISA探路者使命最有可能成为先行者。

空间引力波探测使命将帮助科学家在更低的频率上发现从引力波源发出的信号，以揭示双黑洞系在它们生命周期的早期阶段所具有的特征，科学家将用数年的时间追踪双黑洞天体系的痕迹，它们最终将发生碰撞与合并。简而言之，先进的LIGO探测器在第一次短期的运行中产生了重要结果，这标志了引力波天文学的开端，未来引力波探测的漫长之路将会产生令人惊喜的成果。

（编译：2016-6-27）

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