黑洞玩合體引力波來襲

13億年前，兩個宇宙中的重量級選手——黑洞遇到了一起，它們惺惺相惜，最終選擇合體，形成了一個更加巨大的黑洞。在它們合體的時候，迸發(fā)

出了巨大的能量波……這些能量不停地在宇宙中擴(kuò)散、擴(kuò)散、擴(kuò)散……終于在2015年9月14日，人類感受到了這份震顫。北京時間2016年2月11日23點(diǎn)30分，美國國家科學(xué)基金會（NSF）宣布人類首次直接探測到了引力波，印證了愛因斯坦的預(yù)言。

看完上面這段文字，你是不是覺得信息量太大？引力波是什么？黑洞真的存在嗎？本期特別關(guān)注，我們就一起聊聊這發(fā)生在天文學(xué)界的最新發(fā)現(xiàn)。

什么是引力波？

在物理學(xué)上，引力波是愛因斯坦廣義相對論所預(yù)言的一種以光速傳播的時空波動。如石頭丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋一樣，引力波被視為宇宙中的“時空漣漪”。這種波可以造成空間的拉伸和壓縮。當(dāng)然，通常引力波的產(chǎn)生非常困難，地球圍繞太陽以每秒30千米的速度前進(jìn)，發(fā)出的引力波功率僅為200瓦，還不如家用電飯鍋的功率大。宇宙中大質(zhì)量天體的加速、碰撞和合并等事件才可能形成強(qiáng)大的引力波。但能產(chǎn)生這種較強(qiáng)引力波的波源距離地球都十分遙遠(yuǎn)，往往傳播到地球上時，也已經(jīng)非常微弱了。

如果石頭對水波的影響你還是不容易理解，你可以想象有一張很大、很平整的橡膠膜，一只螞蟻、一只兔子以及一個人分別在這張橡膠膜上跳動。因?yàn)槲浵仭⑼米雍腿说馁|(zhì)量不同，所以橡膠膜發(fā)生的變化也不一樣。螞蟻質(zhì)量小，雖然拼命跳動，橡膠膜的形變還是微乎其微。而人在上面跳過，橡膠膜每一次都會有較大的波動。

如何探測引力波——先進(jìn)的LIGO探測器

橡膠膜的形變是我們比較容易觀測到的，但引力波造成的空間“形變”測起來卻非常困難。因?yàn)橐Σㄒ鸬目臻g變形非常微小，不能用常規(guī)的測量工具去測量。這該怎么辦呢？

一起來看看這次探測到引力波的美國“激光干涉引力波天文臺”（LIGO）是如何做到的吧。

“先進(jìn)LIGO”設(shè)施包括兩條互相垂直的L型長臂，長度均為4千米。將一束激光用分光鏡分成夾角為90°的兩束，然后兩束激光分別被4千米外的反射鏡反射回來并發(fā)生干涉，這樣的反射可以來回進(jìn)行多次，從而大大增加激光運(yùn)行的路徑長度。由于光的頻率和波長完全一致，在正常情況下，這兩束激光應(yīng)該是完全相同的，但是如果存在引力波作用，激光跑過的路程被引力波拉長或者壓短，而無論時空如何變化，光速是不變的，這樣，激光通過兩條互相垂直的L型長臂的時間長度就會發(fā)生變化，從而影響探測器的結(jié)果。理論上，測量到了這些變化，科學(xué)家們就相當(dāng)于測量到了引力波。

強(qiáng)烈合體，引發(fā)強(qiáng)烈引力波

介紹完了引力波，大家一定會好奇，黑洞是什么？為什么黑洞碰撞在一起就能發(fā)出強(qiáng)烈的引力波呢？下面就介紹一下天文學(xué)中大名鼎鼎的黑洞。

黑洞，并不是一個洞，它也是一個充滿神秘色彩的天體。凡是接近這個天體的物質(zhì)會全部被吞噬，就連光線也無法從其勢力范圍中逃脫。由于沒有光線能發(fā)射出來，人們就看不見它，所以稱它為“黑洞”（想了解關(guān)于黑洞的更多信息，請看本期“糯米團(tuán)團(tuán)”《最“好吃”的天體——黑洞》）。

早在13億年前，在距離地球13億光年之外有兩個黑洞，其中一個黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于29個太陽的質(zhì)量，另一個黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于36個太陽的質(zhì)量。這兩個黑洞由于某種原因慢慢靠近，最終合體。在它們合體的過程中，有3個太陽質(zhì)量的能量以引力波的形式釋放出去……這些引力波經(jīng)過長達(dá)13億年的漫長旅行，終于達(dá)到了地球，并且被LIGO探測到。

引力波的探測意義

引力波天文學(xué)將是繼傳統(tǒng)電磁波天文學(xué)、宇宙線天文學(xué)和中微子天文學(xué)之后，人類認(rèn)識宇宙的全新窗口，必將引發(fā)一場天文學(xué)革命。引力波像其他的波一樣，攜帶著能量和信息。電磁波（宇宙背景微波輻射）只能讓我們看到大爆炸38萬年之后的景象，而引力波能夠讓我們回望宇宙大爆炸最初的瞬間，檢驗(yàn)宇宙大爆炸理論的正確與否。

我國重大引力波探測工程“天琴計劃”

我國本土重大引力波探測工程“天琴計劃”已于2015年7月份正式啟動，部分關(guān)鍵技術(shù)研究已有具體進(jìn)展，目前正在立項(xiàng)中。

據(jù)了解，中山大學(xué)“天琴計劃”是以引力波研究為中心，開展空間引力波探測計劃任務(wù)的預(yù)先研究，制定中國空間引力波探測計劃的實(shí)施方案和路線圖，并開展關(guān)鍵技術(shù)研究。該計劃如果完成，大約需要20年的時間，投資大約150億元人民幣。