引力波的首次直接探测

**GW150914** 是由雷射干涉重力波天文台（LIGO）於 2015 年 9 月 14 日探測到的重力波現象，是人類首次直接探測到的重力波。相關探測結果由 LIGO、處女座干涉儀（Virgo）研究團隊於 2016 年 2 月 11 日共同宣布。這束產生於雙黑洞的重力波訊號與廣義相對論中對雙黑洞旋近、併合以及併合後的黑洞會發生衰盪（英語：ringdown）的理論預測相符。同時 GW150914 也是人類對雙黑洞併合的首度觀測，展示了雙黑洞系統確實存在，且其併合在宇宙的目前階段仍能發生。信號名稱 **GW150914** 的意義為「重力波 2015 年 9 月 14 日」，GW 是重力波 "Gravitational Wave"，150914 是發現日期。

對於重力波的實驗探尋已經超過了 50 年。其與物質間的作用十分微弱，以致愛因斯坦本人都懷疑其是否能被探測到。此次探測到的重力波所造成的時空變化相對於 LIGO 探測器的一個干涉臂而言，相當於頭髮絲的寬度之於地球與太陽外最近恆星的距離。然而在併合最後階段，等價於約 3 倍太陽質量的能量在不到 1 秒的時間內以重力波的形式釋出，瞬時功率非常巨大，大於可觀測宇宙中所有星體發光功率總和。

此次探測驗證了廣義相對論最後一項未被證實的理論預測，同時開啟了重力波天文學的新紀元。重力波就此作為一種粒子和電磁波之外的新的探針，將被用於探測過去未能探測到的天體現象，如中子星的誕生、演化以及衰亡以及宇宙誕生之初的圖景。

## 探測背景

### 理論基礎

重力波最早是由阿爾伯特・愛因斯坦於 1916 年基於廣義相對論預言存在的。在廣義相對論中，引力被解釋為時空發生彎曲的結果，而宇宙中發生的天文現象會引起從波源向外以光速傳播的時空「漣漪」，重力波。不過由於萬有引力相對於電磁作用等其他基本交互作用而言非常微弱，所以從技術上來說，重力波非常難以探測。理論上，做軌道運動的系統都會向外以重力波形式釋出能量，但在絕大多數情況下，這樣釋出的能量的探測難度遠高於目前探測水平。儘管仍然十分微弱，雙星系統或雙黑洞的旋近以及最終的併合是一種可以嘗試去探測的情形。在這些情形中，系統中的物體的速度會非常大，它們質量中將有相當的一部分將在非常短的時間轉化為能量以重力波形式釋出。其中可探測到的能量在目前探測能力所能及的範圍之內。

同時，卡爾・史瓦西以及羅伊・克爾等人提出的黑洞的相關理論，以及自 20 世紀 70 年代發展起來的一系列有關黑洞的數值計算方法在此次探測中也發揮了重要的作用。

### LIGO 的發展

1974 年，拉塞爾・赫爾斯和約瑟夫・泰勒發現赫爾斯－泰勒脈衝雙星在互相公轉時逐漸靠近，從而間接證明重力波的存在。二人因此摘得 1993 年的諾貝爾物理學獎。這項發現以及隨之湧現的一系列天體物理學新的理解，令科學家認識到對於重力波的直接探測將是研究相對論性系統以及在強引力場情形中驗證廣義相對論的一種方法。

探測到 GW150914 的雷射干涉重力波天文台（LIGO）是由加州理工學院的基普・索恩及麻省理工學院的萊納・魏斯等人於 1992 年發起的。截至 2016 年 2 月，全世界範圍內已有 1000 餘位科學家參與了 LIGO 科學合作項目。在 GW150914 被探測到時，LIGO 運轉著兩架重力波探測器：一架位於路易斯安那州利文斯頓（30°33′46.42″N 90°46′27.27″W），另一架則位於華盛頓州的漢福德區（46°27′18.52″N 119°24′27.56″W），兩地相隔 3002 km。兩架探測器的運行原理與麥可遜干涉儀相仿。它們在 2002 年至 2010 年期間沒有探測到任何重力波訊號。隨後，該計劃進行多年的修整，兩架探測器也得到提升。兩架探測器於 2015 年 2 月進入工程模式，並於同年 9 月進入第一觀測階段。

在 LIGO 的發展和觀測過程中，一直存在著用以考察研究者辨識訊號能力的「盲注入訊號」。為了保障這種測驗的有效性，只有四個科學家知道這種訊號會在何時注入。相關資訊在這些訊號經過徹底分析後才會告知給研究者。然而，在 2015 年 9 月進行的探測中，並沒有進行這種測驗。

## GW150914 的探測

### 探測過程

以其被探測到的日期命名的重力波現象 GW150914 由 LIGO 位於漢福德區及利文斯頓的兩架探測器於 2015 年 9 月 14 日的 09:50:45（UTC）探測到。該訊號來自南半天球。重力波源的大致方向與麥哲倫雲相同，但距離要遠得多。該訊號持續了超過 0.2 秒，頻率在八個週期內由 35Hz 增至 250 Hz。這個訊號被研究人員描述為鳥的「啁啾」。在數據獲取的 3 分鐘內，研究人員採用低延遲搜索方法對數據進行了快速初始分析。這個結果首先由當時身處德國的義大利博士後馬可・德拉戈發現。他起初並不認為這個訊號是真實的，而他的上司布魯斯・埃倫開始時認為該訊號是個注入訊號。德拉戈將這一情況通知給了 LIGO，並得到確認該訊號並非注入訊號。

在對訊號經過更為細緻的統計分析，並對自 9 月 12 日至 10 月 20 日中 16 天的數據也進行分析後，研究人員確認 GW150914 為真實的重力波現象，顯著性超過 5.1σ，置信水平為 99.99994%。依據理論預測，重力波的傳播速度為光速。位於利文斯頓的探測器比位於漢福德區的探測器早 7 毫秒發現訊號，這與光在兩地間傳播時間相同。在被探測到時，該束重力波應已在宇宙空間中傳播超過了十億年。

在 GW150914 被探測到時，位於義大利比薩附近的處女座干涉儀（Virgo）重力波探測器處於下線狀態，並正進行升級。如果它處於上線狀態，其靈敏度也足以發現這個訊號。而位於德國漢諾瓦附近的 GEO600 探測器的靈敏度可能並不夠。基於上述原因，上述兩個探測器沒能驗證 LIGO 的探測結果。

### 波源情況

依據訊號的幅值，該現象發生在與地球的光度距離約 410+160 
−180 百萬秒差距或 13±6 億光年的位置，相應的紅移為 0.09+0.03 
−0.04，置信區間為 90%。依據對紅移數據的分析，該重力波是由兩個質量分別為 36+5 
−4 倍太陽質量和 29±4 倍太陽質量的黑洞併合放出的，而併合後的黑洞的質量為太陽的 62±4 倍。其間減少的 3.0±0.5 倍太陽質量的能量以重力波形式釋出，符合質能等價。重力波輻射的峰值功率為 3.6×1049W，是可觀測宇宙所有可見光源功率總和的 10 倍多，約為普朗克功率的 0.1%。

在可探測訊號持續的 0.2 秒內，黑洞間相對切向速度由光速的 30% 增至 60%。它們的軌道運動頻率為 75Hz，約為重力波頻率的一半。由此可以得出，在兩個黑洞併合前，它們的距離僅為 350km。這一相對極小的軌道半徑意味著所觀測的系統只能是黑洞。已知的系統中，沒有其他系統的質量能夠讓其在併合前以如此小的半徑做軌道運動。黑洞 - 中子星的軌道運動頻率在併合前會更低。已觀測到的中子星中，質量最大的中子星的質量為太陽 2 倍。穩定中子星的質量上限為 3 倍太陽質量，因而中子星對的質量並不足以形成 GW150914 中的併合情形，除非它們是夸克星這樣的怪異天體。

重力波在高峰後衰減振盪，黑洞也隨之進入併合的最終階段。儘管後牛頓力學近似方法已經可以給出旋近運動的較為完善的描述，但強引力場併合階段只能通過大尺度相對論數值模擬得到普遍解。

併合後得到的黑洞是一個轉動的克爾黑洞。其自轉參數為 0.67，即其角動量為對應於質量的最大取值的 2/3。

### 發生位置

重力波探測器是全天監測器，並不能解析出訊號的空間資訊。重力波產生的位置的重建需要一個探測器網絡。由於只有 LIGO 的兩個探測器探測到該訊號，因而 GW150914 的重力波源只能被確定處於一個環形區域內。這是由對 6.9+0.5 
−0.4ms 的時間延遲進行分析得到的，同時還要考慮兩個探測器間的幅值以及相位的一致性。通過這一分析可以得到大小約為 140 deg2（50% 機率）或 590 deg2（90% 機率）的可信區域。

### 同時段相關探測

研究人員對於估計重力波產生的發生區域附近與重力波同時產生的無線電波、紅外、可見光、X 射線、γ 射線等波段的電磁波以及微中子進行了後續探測。

#### 微中子

對於微中子的探尋是由 ANTARES 探測器及 IceCube 微中子觀測站合作進行的。ANTARES 探測器在 GW150914 前後 500 秒內沒有探測到可能的目標微中子，IceCube 觀測站則探測到了 3 個：一個是在南半天球找到的，另外兩個則在北半天球。這與背景探測層次的預期相符。但這三個微中子中並沒有一個產生於併合現象發生的 90% 置信區域內。

#### 伽瑪射線暴

費米伽瑪射線空間望遠鏡的伽瑪射線暴監視系統在 GW150914 被檢測到 0.4 秒後於其預估發生區域附近檢測到一個強度約為 50 keV 的弱伽瑪射線暴。相關研究人員人員認為二者存在相關性，誤報率為 0.0022。如果二者確實相關的話，那麼 GW150914 發生位置的 90% 信度區域大小則可降至 199 deg2。依據國際伽瑪射線天體物理實驗室的全天反符合屏蔽光譜儀的觀測結果，以伽瑪射線及硬 X 射線形式釋出的能量不到以重力波形式釋出的百萬分之一。這一上限一定程度上排除了重力波與伽瑪射線暴之間的相關性。

依據目前對於黑洞併合的研究，在產生 GW150914 的雙黑洞併合產生重力波時可能確實不會同時產生伽瑪射線暴，因為恆星質量雙黑洞並不具有吸積盤。哈佛大學教授亞伯拉罕・勒布則試圖通過另一種方式解釋此次現象，以解釋伽瑪射線暴的產生。他認為伽瑪射線暴的產生可能是由於此次黑洞併合發生在體量更大的母星中。一個高速自轉大質量恆星在其塌縮時所產生的離心力所產生的旋轉軸會令其變形為啞鈴型，進而分裂為雙黑洞。在這顆恆星塌縮過程的末尾會觸發伽瑪射線暴。而之所以會存在 0.4 秒的延遲則是因為伽瑪射線暴在恆星星體中的傳播速度較重力波傳播速度稍慢。

#### 其他波段電磁波

雨燕衛星在重力波被探測到兩天後對臨近估計位置的星系進行了觀測，並沒有探測到可見光、紫外線以及 X 射線波段的電磁波。

### 結果發表

2016 年 2 月 11 日，LIGO 的執行主任大衛・萊茲與加布里埃拉・岡薩雷斯、萊納・魏斯以及基普・索恩等 LIGO 委員會成員，和 NSF 的主管弗朗絲・柯多瓦於華盛頓特區舉行的新聞發布會上宣布了探測結果。同日，巴里・巴里什在位於瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心總部向物理學界宣講了這一發現。

在結果正式宣布前即有重力波被探測到的傳聞。這些傳聞來源自勞倫斯・克勞斯於 2015 年 9 月 25 日發表的推文。有關探測結果的論文同日發表於該周的《物理評論快報》，而有關探測結果的進一步分析的論文則隨後很快發表在《天文物理期刊》等期刊中，或者立即以預印本形式發表。

### 公認與獎賞

2016 年 5 月，全體研究團隊，特別是計畫創始者朗納・德瑞福、基普・索恩、萊納・魏斯，由於探測到重力波，共同榮獲基礎物理學特別突破獎與獎金 3 百萬美金。他們還獲得了格魯柏宇宙獎。

## 對基礎物理學的影響

### 強引力場中廣義相對論的驗證

併合後黑洞的基本性質，質量與自轉，及併合前的兩個黑洞的情況與廣義相對論的理論預測相符。這是首次在強引力場中對廣義相對論進行實驗驗證，沒有出現違背廣義相對論理論預測的探測數據。

然而此次探測到的訊號並不能用來研究更為複雜的廣義相對論交互作用，例如從重力波間交互作用中產生的尾波以及彎曲的時空背景。這個訊號儘管相對較強，但仍遠弱於雙脈衝星系統產生的訊號。探索重力波間錯綜複雜的交互作用以及改進對廣義相對論偏差的約束需要更為靈敏的探測器以及強度更大的訊號。

### 降低引力子質量上限

依據廣義相對論的理論預測，重力波的傳播速度（_**vg**_）與光速（_**c**_）相等。基於這一關係，量子引力理論中引力子的性質的一些參數則可以被確定。引力子是量子引力理論中一種的假想基本粒子，是引力的載力子。由於引力作用範圍無窮大，因而其質量為零。如果引力子質量非零，那麼重力波的傳播速度就會比光速小，且頻率（_**ƒ**_）較低的重力波的傳播得會比頻率較高的重力波慢，進一步出現重力波的色散現象。此次觀測到的重力波並沒有發生色散。依據旋近階段的觀測結果，引力子的質量上限被降低至 2.16×10−58 kg，約為 1.2×10−22 eV/_c_2。對應的康普頓波長（_**λg**_）大於 1×1013 km，約為 1 光年。依據觀測到的頻率下限 35 Hz，**1-_vg_ /_c_**則可確定約為 4×10−19。這一結果可以用來確定_**vg**_的下限。

## 對天文學的影響

### 有關恆星演化及雙星系統的結果

併合前的兩個黑洞的質量帶來有關恆星演化的新資訊。依據 X 射線聯星探測結果，兩個黑洞的質量都遠大於之前所發現的恆星黑洞。這意味著來自它們前身星的星風相對較弱，因而其金屬量，即氫、氦外元素質量占比，不到太陽的一半。

併合前黑洞為雙星系統的情況，以及這個系統能夠在宇宙壽命內完成併合，對取決於雙黑洞系統形成情況的雙星演化或恆星動力學情況構成約束。恆星黑洞的初始衝擊，即黑洞在其從 II 型超新星產生時所獲取的速度，並不總是很高，否則形成黑洞的超新星聯星會發生瓦解。球狀星團中的黑洞的速度會超過星團的逃逸速度，然後由於動力學交互作用不再形成雙星。

併合現象的發現提高了這種現象的發生比例下限，此前有關的理論模型給出的比例值小於 1 Gpc-3yr-1。由對此次的探測結果的分析可以得到類似於 GW150914 的現象的發生比例在～140 Gpc-3yr-1 至 17+39 
−13 Gpc-3yr-1 之間。

### 重力波在之後的宇宙學觀測中的應用

GW150914 的探測開啟了重力波天文學的新紀元。在此次探測前，天體物理學家以及宇宙學家的對於天體的觀測基於可見光、X 射線、微波與無線電波這樣的電磁輻射以及宇宙射線、星風以及微中子這樣的粒子。這些手段具有明顯的局限性。許多物質都不能放出輻射，而這些輻射在傳播過程中也會受到其他系統的阻礙：星系以及星雲可能吸收或改變它們內部或進入其內部的光。而對於緻密星與部分的奇特星這樣的天體，它們可能包含不參與電磁交互作用的物質，除了通過引力作用外可能並沒有能探測到它們的手段。

對於由黑洞併合產生的重力波的波形及幅值的測量可以用來精確確定該現象發生位置與地球間的距離。隨著黑洞併合觀測數據的累積，物理學家可以更為精準地描述宇宙膨脹及影響該過程的暗能量的性質。

早期宇宙存在一個內部能量非常高的時代。這個時期的宇宙中的物質大多以離子態的形式存在，其中的光子會受到自由電子的散射，因而這個時期的宇宙並不像目前這樣「透明」。

人類在掌握直接探測重力波的能力後就可以將它作為天體探測的新手段。相對於光而言，重力波在時空中傳播所受到的阻礙較少，而不發光的物質卻依然具有引力作用。早期宇宙的不透明性似乎並不會對於那時產生的重力波造成太大的影響。如果這些重力波能被探測到的話，那麼它們將提供一個觀測宇宙產生之初的圖景的一個視角。同時，那些不會產生光等電磁輻射或者會造成光過度扭曲的天文現象，如黑洞併合等，在發生時也會產生重力波。對於重力波的直接觀測可以實現對於這些目前尚不可觀測的天文現象的觀測。

### 進一步的重力波探測

GW150914 具有較高的顯著性：在誤差率為 8% 時，一個世紀中顯著性大於 GW150914 的探測結果將非常罕見。儘管如此，此次探測仍被推測是經過改進的 LIGO 探測器在其運行第一年中所能得到的探測結果中的第一個。2016 年 6 月 15 日，LIGO 團隊宣布，第二次直接探測到重力波。預計未來每年將會有 5 個 GW150914 這樣的黑洞併合現象以及 40 個雙星併合現象被探測到。除此之外，還有尚不知道具體數量的其他重力波源也將被探測到，其中的一些可能是目前的理論尚未預測到的。在將信噪比提高兩倍，並將體積擴大後，類似 GW150914 的現象被發現機率可以大幅增長。此外，經過提升的處女座干涉儀（Virgo）探測器，KAGRA，以及位於印度的 LIGO 第三個探測器將改善探測器網絡建設情況，並改善位置資訊重建以及訊號源參數的估計情況。耗資十餘億美元的愛因斯坦望遠鏡也將於 21 世紀 20 年代後期正式投入運行。

已預定發射的雷射干涉空間天線（eLISA）可以在宇宙空間中探測重力波。像產生 GW150914 的雙黑洞這樣的大質量雙星系統在其併合前 1000 年的演化過程中所放出的重力波在 eLISA 感知範圍內。如果它們與地球的距離在 10 百萬秒差距內，那麼它們將是一種前所未知的重力波源。eLISA 的先導衛星，雷射干涉空間天線開路者號，已於 2015 年 12 月升空。

### 原初黑洞

經過詳細分析數據，學者估算，這事件所涉及到的兩個黑洞，其質量皆大於 25 個太陽質量，大於通常由恆星滅亡產生的一般黑洞，因此，學者推測 LIGO 很可能探測到由暗物質形成的原初黑洞。

## 參見

* 重力波
* 重力波天文學
* 廣義相對論
* 雙黑洞
* 雷射干涉重力波天文台（LIGO）

## 注釋

## 參考文獻

## 外部連結

* YouTube 上的 GW150914 探測結果宣布新聞發布會（英文）
* LIGO 官方新聞稿（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（英文）
* LIGO 探測專題 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（英文）
* 勞倫斯・克勞斯談此次探測的意義（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（英文）