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10億年以前，地球。 超級(jí)大陸羅迪尼亞大陸剛剛形成，地球上的生命大多數(shù)還是以單細(xì)胞的形式存在，部分生活在菌叢中，開(kāi)始有分工分化，形成第一棵多細(xì)胞植物。沒(méi)有人類，沒(méi)有哺乳動(dòng)物，連恐龍都還沒(méi)有影子。 10億年以前，宇宙深處。 兩個(gè)巨大的黑洞在經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的繞轉(zhuǎn)以后，通過(guò)引力波輻射能量，越轉(zhuǎn)越近。長(zhǎng)年累月的公轉(zhuǎn)，已經(jīng)讓它們不堪重負(fù)，能量的損耗也在日漸加快。最后，它們終于放棄了抵抗，猛地撞到了一起。這兩個(gè)黑洞消亡了。一個(gè)更巨大的新黑洞，誕生了，伴隨著時(shí)空中被攪動(dòng)的滔天巨浪，那是它這一生也許是唯一一次的啼哭。這個(gè)新生兒的第一聲哭喊，以光的速度飛速向外傳播……
巨浪變成了浪花…… 歲月無(wú)聲。 浪花化作漣漪…… 經(jīng)過(guò)10億年的漫長(zhǎng)旅行，一小部分引力波信號(hào)終于抵達(dá)了地球。地球其實(shí)并沒(méi)什么特殊的，對(duì)引力波來(lái)說(shuō)，物質(zhì)幾乎是透明的，穿過(guò)地球和穿過(guò)真空，并沒(méi)有什么太大的差別。正如之前穿過(guò)這個(gè)普通行星的億萬(wàn)次引力波信號(hào)一般，這一個(gè)信號(hào)沒(méi)有任何的特別之處。 唯一的特殊在于，這一次，那些單細(xì)胞生命演化成了人類，他們研究出了數(shù)學(xué)和物理，搗鼓出了相對(duì)論和激光，還用激光編制出一張捕捉引力波的網(wǎng)。 雁過(guò)留痕。時(shí)空的漣漪，在不經(jīng)意間撥動(dòng)了激光編制的琴弦。
于是，2015年9月14日，我的郵箱里收到了一封內(nèi)部郵件，Event G184098。郵件里描述了實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)的軟件得到了一個(gè)顯著性極高的候選對(duì)象。后來(lái)，它換了個(gè)名字，GW150914，在15年9月14日探測(cè)到的引力波（GW）。 這張捕捉引力波的網(wǎng)，叫做advanced LIGO，高新激光干涉儀引力波天文臺(tái)，而參與建造、維護(hù)儀器，分析數(shù)據(jù)的1000多位科學(xué)家，組成了一個(gè)叫做LIGO科學(xué)合作組織的科研團(tuán)隊(duì)。
100年前，那個(gè)依然英俊的青年愛(ài)因斯坦經(jīng)過(guò)十年的苦思憫想，參悟了時(shí)空和引力的本質(zhì)，寫下了劃時(shí)代的公式。那個(gè)簡(jiǎn)潔美妙的公式，被后世的另一個(gè)才華橫溢的學(xué)者約翰·惠勒總結(jié)為：時(shí)空命令物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)，而物質(zhì)引導(dǎo)時(shí)空如何彎曲。 100年后，經(jīng)過(guò)幾代科學(xué)家一個(gè)世紀(jì)的不懈努力，我們終于站在一個(gè)新時(shí)代的全新起點(diǎn)，迎來(lái)了人類探測(cè)到的第一個(gè)引力波信號(hào)。 LIGO科學(xué)合作組織的1000多名科學(xué)家在接下來(lái)的日子里忙壞了，分布全球的多個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)開(kāi)足了馬力，想要將那一段短短數(shù)秒的信號(hào)背后的物理全部挖掘出來(lái)。慢慢的，如同盲人摸象般，我們開(kāi)始一層層解開(kāi)這一引力波信號(hào)的面紗。 我們知道，這個(gè)信號(hào)，先經(jīng)過(guò)利文斯頓，再經(jīng)過(guò)漢福德，兩個(gè)探測(cè)器，相隔7毫秒，留下了幾乎一模一樣的波形。所以可以確定信號(hào)來(lái)自南天球。 我們知道，信號(hào)在0.2秒的時(shí)間從35赫茲躥升到150赫茲。 這是兩個(gè)極重的恒星級(jí)別黑洞的并合，其中一個(gè)是太陽(yáng)質(zhì)量的29倍，另一個(gè)是太陽(yáng)質(zhì)量的36倍。在這短短的一眨眼間，有大約3倍于太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)通過(guò)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程E=mc^2轉(zhuǎn)化為了能量。
我們知道，這一過(guò)程的峰值功率為3.6x10^49 瓦，十倍于整個(gè)可觀測(cè)宇宙的電磁波能量總和。如果這些能量以可見(jiàn)光的形式傳播，那么即使是遠(yuǎn)在十億光年之外的地球上，它的亮度也會(huì)輕松超過(guò)滿月。 我們知道，在穿越地球時(shí)，“他強(qiáng)由他強(qiáng)，清風(fēng)拂山崗；他橫由他橫，明月照大江”，引力波來(lái)無(wú)影去無(wú)蹤，地球所吸收的能量，僅僅是10^-17焦，或者說(shuō)相當(dāng)于一個(gè)X射線光子的能量。 我們知道，它大約來(lái)自13億光年以外，所以正應(yīng)了星球大戰(zhàn)的開(kāi)篇：很久很久以前，一個(gè)很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的星系發(fā)生的驚心動(dòng)魄的故事。 時(shí)空交錯(cuò)而成的池塘上，由于這一對(duì)黑洞的攪動(dòng)，吹皺了一池春水。對(duì)于天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，這點(diǎn)點(diǎn)漣漪意味著我們有了黑洞存在的強(qiáng)有力證明：在并合之前的一瞬間，在如此小的間距內(nèi)聚集著如此巨大的質(zhì)量，除了黑洞實(shí)在是不做他想；它也意味著我們第一次觀測(cè)到了雙黑洞系統(tǒng)的存在；我們也確定了這種系統(tǒng)可以在足夠短的時(shí)間（10億年，對(duì)，足夠短了）內(nèi)并合；我們可以估算這一類時(shí)間的發(fā)生率，事實(shí)上，整個(gè)宇宙每時(shí)每刻都有黑洞雙星并合，根據(jù)LIGO的數(shù)據(jù)，每15分鐘就應(yīng)該有一個(gè)引力波到達(dá)地球，當(dāng)然，絕大部分都太過(guò)微弱而掩埋在噪聲中；腦洞開(kāi)得大一些，我們還可以這黑洞系統(tǒng)來(lái)自低金屬豐度的前身星，其恒星風(fēng)較弱，所以沒(méi)帶走太多質(zhì)量。 一葉知秋，通過(guò)這短短數(shù)秒的信號(hào)，讓上千名科學(xué)家在幾個(gè)月的時(shí)間里忙壞了。我們今天終于驕傲地向世人宣布引力波的首次直接探測(cè)。多少人，多少年的期待，終于變成了現(xiàn)實(shí)。今天，雷納·韋斯、基普·索恩和羅納德·德雷弗的案頭上，大概會(huì)有人倒上一杯香檳。來(lái)自斯德哥爾摩的電話，多半也已經(jīng)在籌劃。 這是一個(gè)偉大的時(shí)代，電磁波望遠(yuǎn)鏡是人類的眼睛，看到這五彩繽紛的宇宙奇異瑰麗的美景；引力波探測(cè)器則是人類的耳朵，人類以前就像是聾子，現(xiàn)在終于可以聆聽(tīng)宇宙的呢喃。2015年9月14日，值得載入史冊(cè)的一天。 這小小的時(shí)空的漣漪，無(wú)聲無(wú)息地如鬼魅般穿過(guò)地球，對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)卻不亞于驚天巨雷。正如馬克斯-普朗克引力物理研究所所長(zhǎng)布魯斯·艾倫所說(shuō)：“愛(ài)因斯坦當(dāng)初認(rèn)為引力波太過(guò)微弱而無(wú)法探測(cè)，而他也從未相信過(guò)黑洞的存在。不過(guò)，我想他并不介意自己在這些問(wèn)題上弄錯(cuò)了?！甭?tīng)到這個(gè)消息，愛(ài)因斯坦大概也會(huì)“垂死病中驚坐起，笑問(wèn)客從何處來(lái)”吧。 然而，這段穿越地球的經(jīng)歷對(duì)那十億年前出發(fā)的引力波來(lái)說(shuō)僅僅是個(gè)小插曲，它將繼續(xù)著它的旅程，前往下一個(gè)遠(yuǎn)方。 時(shí)空的漣漪，向遠(yuǎn)處蕩開(kāi)…… 本文作者胡一鳴是LIGO科學(xué)合作組織成員。胡一鳴曾任南大天文愛(ài)好者協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)，目前是德國(guó)馬克斯-普朗克引力物理研究所、清華大學(xué)博士后，研究引力波。 |
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