大约100年前的今天，阿尔伯特·爱因斯坦预言了引力波的存在，引力波是由早期宇宙中极其剧烈的宇宙大灾难引发的时空结构中的涟漪。以他对宇宙的了解和1916年可用的技术，爱因斯坦认为这样的涟漪会“小得近乎消失”，几乎不可能被探测到。上个世纪的天文发现和技术进步改变了这些前景。
现在，LIGO科学合作组织的科学家们——由麻省理工学院和加州理工学院的研究人员发挥了重要作用——第一次做到了这一点直接观察引力波在地球上的仪器中产生的涟漪。在此过程中，他们再次戏剧性地证实了爱因斯坦的广义相对论，并开辟了一种观察宇宙的新方法。
但还有更多:科学家们还解码了引力波信号，并确定了它的来源。根据他们的计算，引力波是13亿光年之外的两个大质量黑洞碰撞的产物——这是一个直到现在还没有被观测到的非常极端的事件。
研究人员用激光干涉仪引力波天文台(LIGO)探测到这个信号。LIGO是一对精心构造的探测器，用来探测从引力波经过时产生的极小振动。一旦研究人员获得了引力信号，他们将其转换成音频波，并聆听两个黑洞螺旋旋转的声音，然后合并成一个更大的单一黑洞。
麻省理工学院物理学助理教授马修·埃文斯(Matthew Evans)说:“我们实际上在晚上听到了它们的砰砰声。”“我们得到一个到达地球的信号，我们可以把它放在扬声器上，我们可以听到这些黑洞的声音，‘哇。“这一观察结果有一种非常内在的联系。你真的在听这些以前听起来很奇妙的东西。”
通过进一步分析引力信号，研究小组能够追踪到黑洞碰撞前的最后几毫秒。根据爱因斯坦的方程E=mc，这两个黑洞的质量是太阳的30倍，它们以接近光速的速度围绕彼此旋转，然后在碰撞中融合并释放出相当于3个太阳质量的巨大能量2-以引力波的形式。
LIGO的首席探测器科学家、麻省理工学院Kavli天体物理与空间研究所的高级研究科学家Peter Fritschel说:“大部分能量都在零点几秒内释放出来。”“在很短的时间内，引力波的实际功率高于可见宇宙中的所有光。”
然后，这些波在宇宙中荡漾，有效地扭曲了时空的结构，在10亿多年后穿过地球，成为它们以前猛烈起源的微弱痕迹。
“这是一个壮观的信号，”麻省理工学院物理学名誉教授雷纳·韦斯说。“自从LIGO被提出以来，我们中的许多人都想观察这个信号。它展示了物体在可以想象到的最强引力场中的动力学，在这个领域，牛顿的引力根本不起作用，人们需要完全非线性的爱因斯坦场方程来解释这些现象。成功之处在于我们测量的波形可以很好地用这些方程的解来表示。爱因斯坦的理论在这个领域从未得到过验证。”
新的研究结果今天发表在杂志上物理评论快报。
“对齐辉煌”
引力波的第一个证据出现在1974年，物理学家罗素·赫尔斯(Russell Hulse)和约瑟夫·泰勒(Joseph Taylor)在距离地球2.1万光年的地方发现了一对中子星，它们似乎以一种奇怪的模式运行。他们推断，这些恒星以这样一种方式围绕彼此运行，它们一定是以引力波的形式损失能量——这一发现为研究人员赢得了1993年的诺贝尔物理学奖。
现在LIGO用地球上的仪器首次直接观测到了引力波。研究人员于2015年9月14日，美国东部时间5点51分，利用位于路易斯安那州利文斯顿和华盛顿州汉福德的两个LIGO干涉仪探测到了引力波。
每个l型干涉仪跨越4公里长，使用分成两束的激光束，通过每个臂来回移动，在精确配置的镜子之间弹跳。根据爱因斯坦的理论，当引力波经过仪器时，反射镜之间的距离会发生极小的变化。
“你几乎可以想象，就像你把一块石头扔到池塘表面，涟漪就散了，”麻省理工学院天体物理学柯蒂斯和凯瑟琳·马洛曼教授尼尔吉斯·马尔瓦尔瓦拉说。“它扭曲了周围的时空，这种扭曲向外传播，并在数亿年后到达地球上的我们。”
去年3月,研究人员主要完成升级到被称为高级LIGO的干涉仪上，增加了仪器的灵敏度，使它们能够探测每条臂长度的变化，小于质子直径的万分之一。到了9月，他们已经准备好开始和他们一起观察。
“我们在地球上测量的效果相当于测量到最近的恒星半人马座阿尔法星的距离，误差在几微米之内，”埃文斯说。“这是一个非常困难的衡量标准。爱因斯坦认为这永远不会实现。”
尽管如此，还是收到了一个信号。利用爱因斯坦的方程，研究小组分析了这个信号，并确定它来自于两个大质量黑洞之间的碰撞。
麻省理工LIGO实验室主任大卫·苏梅克说:“我们认为向自己和他人证明我们看到的最初几个信号不只是侥幸和随机噪声将是一个巨大的挑战。”“但大自然真是太好了，它给我们传递了一个非常大、非常容易理解的信号，而且绝对非常符合爱因斯坦的理论。”
对于LIGO的数百名科学家来说，这次对引力波的新探测不仅标志着数十年探索的高潮，也标志着观察宇宙新方法的开始。
“这确实为天体物理学开辟了一个全新的领域，”埃文斯说。“我们总是用望远镜观察天空，寻找电磁辐射，如光、无线电波或x射线。现在，引力波是我们了解周围宇宙的一种全新的方式。”
微小的发现，巨大的回报
LIGO的研究是由LIGO科学合作组织(LSC)进行的，该组织由包括麻省理工学院在内的美国各地大学和其他15个国家的约950名科学家组成。LIGO天文台由麻省理工学院和加州理工学院运营。20世纪70年代，韦斯首次将这种仪器作为探测引力波的手段，他与加州理工学院的基普·索恩和罗纳德·德雷弗在20世纪80年代提出了LIGO。
埃文斯说:“这是20年的工作，对我们中的一些人来说，甚至更久。”“我们在这些探测器上工作了很长时间，但什么也没看到。所以对于整个合作来说，这是一个真正的翻天覆地的变化，也是一个有趣的心理变化。”
“该项目代表着联邦政府资助研究的一次胜利，”麻省理工学院负责研究的副校长、e·a·格里斯沃尔德地球物理学教授玛丽亚·祖伯(Maria Zuber)说。LIGO是一个高风险、高回报的发现驱动科学投资的例子。在这种情况下，投资是巨大的，持续了多年，成功的结果远未确定。但是，科学上的回报正在形成非凡的。虽然这里报告的发现已经很了不起了，但它们只是我们将了解的基础物理学和宇宙本质的冰山一角。”
LIGO天文台将在不久的将来进行更多的升级。目前，这些仪器的灵敏度只有预期灵敏度的三分之一。舒梅克预测，一旦它们得到充分优化，科学家将能够探测到“来自宇宙边缘”的引力波。
“几年后，当它完全投入使用时，我们应该可以看到来自各种各样物体的事件:黑洞、中子星、超新星，以及我们还没有想象到的东西，每天一次或每周一次的频率，这取决于有多少惊喜。”鞋匠说。“这是我们的梦想，到目前为止，我们没有任何理由知道这不是真的。”
对于这种新的引力信号，韦斯认为这种微小的探测结果是巨大的回报。他在20世纪70年代首次提出了LIGO的基本设计，当时是他在麻省理工学院的一门课程的实验练习的一部分。
“这是我们现在看到的第一个关于高引力场强度的真实证据:像恒星这样的庞然大物，以光速运动，相互撞击，使时空的几何形状变成某种洗衣机，”Weiss说。“这个可怕的强大的东西对我们的设备产生了非常微小的影响，干涉仪臂上的镜子之间产生了10 ^ - 18米的相对运动。想想都有点难以置信。”
这项研究由美国国家科学基金会资助。
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