愛因斯坦的猜想是如何被證實(shí)的

“引力波”，聽名字給人一種曼妙舞動的韻律之美，愛因斯坦在廣義相對論中曾描述：“引力波以光速迅速擴(kuò)散，充滿整個宇宙。”引力是由于質(zhì)量所引發(fā)的時空扭曲所造成，任何有質(zhì)量的物體加速運(yùn)動都會對周圍的時空產(chǎn)生影響，時空在伸展和壓縮的過程中，會產(chǎn)生振動，這些振動就是引力波。這些波動，可以想象為將一塊石子投入水中所掀起的漣漪，因此人們也為引力波賦以一個好聽的名字“時空漣漪”。

引力波一直是愛因斯坦提出來的虛無之物，沒有人見過，沒有人能證明，沒有人能檢測到。就連愛因斯坦本人也想象不到，能通過怎樣的方法探測到引力波，以至于他本人直到逝世前都還在懷疑黑洞的存在。

金秋十月，“引力波”變得如巨星般耀眼，先是10月3日，來自LIGO(激光干涉引力波天文臺)團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家們由于其在引力波研究方面的貢獻(xiàn)而被授予諾貝爾物理學(xué)獎。接著北京時間10月16日晚上10點(diǎn)，一個世界天文學(xué)界里程碑式的時間來到，美國國家科學(xué)基金會、歐洲南方天文臺、中國中科院紫金山天文臺等機(jī)構(gòu)同步召開新聞發(fā)布會，宣布第一次同時“聽到”和“看到”來自雙中子星并合的一次引力波事件。

這是人類第五次探測到引力波。然而科學(xué)界的興奮之情甚至不亞于第一次探測到引力波時。因?yàn)榕c之前被探測到的四個引力波信號不同，這次探測到的引力波信號GW170817來自1.3億光年外兩顆并合的中子星，而且科學(xué)家第一次同時觀測到了引力波及其電磁對應(yīng)體。

“這次科學(xué)家們宣布首次直接探測到了壯麗的雙中子星并合產(chǎn)生的時空漣漪——引力波及其伴隨的電磁信號。這標(biāo)志著人類歷史上第一次使用引力波天文臺和其他望遠(yuǎn)鏡同時觀測到了同一個天體物理事件，這次發(fā)現(xiàn)同時也打開了等待已久的多信使天文學(xué)的新窗口，引力波天文學(xué)為理解中子星的性質(zhì)提供了電磁天文學(xué)單獨(dú)所不能實(shí)現(xiàn)的新機(jī)會。這次發(fā)現(xiàn)是由位于美國的激光干涉引力波天文臺(LIGO)和位于歐洲的室女座干涉儀(Virgo)引力波探測器以及其他70個地面及空間望遠(yuǎn)鏡共同完成的。”清華大學(xué)LIGO科學(xué)合作組織負(fù)責(zé)人曹軍威說。清華大學(xué)LIGO科學(xué)合作工作組是此次中國唯一參與觀測引力波的團(tuán)隊(duì)。自2009年成為LIGO科學(xué)合作組織正式成員以來，清華大學(xué)的這個團(tuán)隊(duì)參與了迄今為止的所有引力波的發(fā)現(xiàn)。

“這是人類迄今觀測到強(qiáng)度最強(qiáng)的引力波信號。”與之前探測到的雙黑洞并合引力波信號只有1秒不同，此次中子星并合產(chǎn)生的引力波持續(xù)了大約100秒， LIGO科學(xué)合作組織成員的科學(xué)家向記者展示了雙中子星并合的動畫過程，兩個天體相互旋進(jìn)，最終并合并產(chǎn)生大量拋射物，外形就像旋轉(zhuǎn)的風(fēng)車。最大的驚喜來自100秒的后半程，“一定要準(zhǔn)備好你的耳朵，聽，開始了……”果然一聲“啁啾”聲傳來，這就是雙中子星即將發(fā)生并合前由于相互繞轉(zhuǎn)頻率不斷提高而發(fā)出的聲音，引力波長啥樣，聽這個聲音就知道了。

中子星是恒星演化末期形成的一類致密天體。雖然它的半徑只有十幾公里，質(zhì)量卻與太陽相當(dāng)。中子星到底有多硬？其內(nèi)部物質(zhì)以何種狀態(tài)存在？這些一直是科學(xué)家感興趣的問題。根據(jù)此次觀測到的引力波信號，科學(xué)家估算出兩顆中子星的質(zhì)量、半徑，并對其密度給出了保守的限制。

在清華大學(xué)引力波成果展示現(xiàn)場，大屏幕上出現(xiàn)了一張北京地圖，此次并合的中子星大約有多大，科學(xué)家說，直徑約為20到25公里，如果放在北京地圖上，大致可以覆蓋北京的三環(huán)區(qū)域，“也就是說，清華大學(xué)所在四環(huán)外還不在中子星覆蓋范圍內(nèi)。”中子星到底有多重，科學(xué)家預(yù)測，這兩個相互旋進(jìn)的天體的質(zhì)量估計(jì)為1.5到1.6倍太陽質(zhì)量，也就是說把1.5到1.6倍的太陽質(zhì)量壓縮到一個非常小的區(qū)域中，其密度大得驚人。距離我們有多遠(yuǎn)，約1.3億光年，也就是說這是1.3億光年前的一次碰撞，今天才被我們?nèi)祟愃^測到。

說起此次雙中子星并合的探測過程，簡直比國際刑警跨洲追捕逃犯還要精彩。

2017年8月17日，分布在全球各地的天文學(xué)家們獲得了一個消息，LIGO和Virgo探測器探測到了一個持續(xù)時間為100秒左右的新引力波信號，其形式與兩個中子星的并合相一致。

在得知這一消息之后，全世界各地的望遠(yuǎn)鏡就開始了忙碌的觀測。南美、夏威夷、澳洲、南非、西班牙……全球所有頂級天文臺都像瘋了一樣，從東向西，隨著黑夜降臨在一個個大陸，各個天文臺一波波地開工，接力完成了對這個事件的跟進(jìn)觀測。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球一共有70架以上的各種天文望遠(yuǎn)鏡參加了觀測，這些觀測覆蓋了整個電磁波段：光學(xué)、紅外、紫外、高能、射電。

在此之前，射電天文學(xué)的加入，讓光學(xué)和射電成為天文學(xué)的兩駕馬車；空間望遠(yuǎn)鏡的加入，讓電磁波的全波段天文時代降臨；宇宙線和中微子的加入，又讓人看到了“多信使天文學(xué)”時代的曙光。

如今，人們用引力波和電磁波一起看到了一場宏大宇宙煙火的前后全貌，首次直接探測到了由雙中子星并合產(chǎn)生的時空漣漪——引力波及其伴隨的電磁信號，標(biāo)志著人類歷史上第一次使用引力波天文臺和其他望遠(yuǎn)鏡同時觀測到了同一個天體物理事件。

“以前面對宇宙，人類非聾即瞎。”中科院高能物理研究所研究員張雙南說，400多年前伽利略發(fā)明了天文望遠(yuǎn)鏡，從此遠(yuǎn)在天邊的宇宙天體就變成了近在眼前。2016年2月11日LIGO宣布聽到了兩個黑洞結(jié)合在一起發(fā)出的聲音，人類終于能夠聽到宇宙的聲音了。而這一次，人類不但聽到了天體結(jié)合發(fā)出的美妙歌聲，而且也看到了它們相愛迸發(fā)的煙花，耳聽為虛，眼見為實(shí)，可以說，從此，人類終于“耳聰目明”了。

正如中科院國家天文臺茍利軍博士所言，這次觀測成果在為人類解答了一些疑惑的同時也提出了更多問題，與歷史上所有天文發(fā)現(xiàn)一樣，這是人類好奇心的勝利與新起點(diǎn)。

本報記者 蔡文清