美國引力波觀測台首次監測到黑洞形成過程

▲ 探測器工程師在LIGO Hanford天文台探測器真空系統內進行硬體升級

美國東部時間4月25日凌晨4點18分，根據初步觀測，又一輪經過數百萬年穿越深空的引力波穿過地球。正如對蜘蛛網上對每一點細微動靜都敏感無比的蜘蛛一樣，美國的激光引力波探測器及時發現了這種代表過往活動的微妙震蕩。相關計算機模型得出結論，此次微波的擺動來自遙遠太空的兩顆中子星。二者在距離地球5億光年的位置發生了碰撞。

而在美國東部時間次日上午11點22分，激光干涉儀引力波觀測台（簡稱LIGO）又識別出另一個引力波信號。計算機模型顯示這是人類有史以來觀察到的第一次黑洞形成過程——黑洞誕生於中子星之內，並逐步將整個星體吞噬殆盡。初步模型顯示，第二輪引力波在到達地球之前，穿過了約為12億光年的星系空間。

在這兩次觀測當中，LIGO都成功發現了極為微弱的引力波活動，而這一突破性的科學成就，應當歸功於研究人員最近對其探測器做出的一系列改進。

位於路易斯安那州與華盛頓州的兩座LIGO激光設施直線相距3002公里（地球表面距離為3030公里）。每座LIGO設施會將激光束分為兩個部分，這對孿生光束被傳送至長度達4公里的兩個垂直臂上。干涉儀臂中的光束在經過嚴格校準的反射鏡與光學元件之間往來反射，而後重新組合為光線，並由此生成精細的干涉模式。

這種模式的效果非常明顯，因為在光線行進的路徑中，即使是微波的空間扭曲（也就是由引力波引發的時空扭曲）都會令結果產生顯著的變化。但問題在於：干涉儀對於鏡面及光學系統中的熱雜訊、設備中的電子雜訊，甚至是來自周邊地區車輛交通以及地震造成的雜訊等因素也同樣非常敏感。

雜訊干擾一直是個非常棘手的難題，這也是LIGO的研究人員在2006年到2014年期間一直無法觀察到引力波的重要原因。然而，在2015年9月14日，LIGO第一次發現了黑洞碰撞事件——這使得三位LIGO項目首席調查員獲得了2017年的諾貝爾物理學獎。

在隨後從2015年9月到2017年8月的394天運行當中，LIGO又陸續觀測到11次引力波事件——平均每35天檢測到一次。

在經歷了最新一輪設備改進之後，LIGO設施的本輪觀察從上月正式開始。而在4月，它就觀測到了五起可能的引力波事件，包括三次黑洞碰撞、中子星與中子星相撞，以及黑洞吞噬中子星。

這種每周一次的頻率可能真實反映了LIGO設施的新常態。

最重要的是，LIGO發現的這兩次事件都涉及到中子星。由於中子星不會吞噬碰撞過程中可能發出的光，因此其向外放射的引力與電磁輻射才更有可能長途跋涉抵達地球。（這種將引力與電磁輻射結合起來進行觀測的方式，被稱為「多信使天文學」。）

華盛頓州里奇蘭市LIGO設施的科學家Sheila Dwyer表示：「中子星也會發光，所以世界各地的很多望遠鏡都在尋找這類天體，希望能夠在不同波長的光線之下實現定位。LIGO項目的一大目標就是通過引力波與光線的結合完成這一目標。」

LIGO設施進行的首次多信使觀測始於2017年8月，引力波檢測也由此拉開序幕。此後不久，出現了84篇令人驚嘆的科學論文，其中探討了研究人員如何檢查從伽馬射線到無線電波光譜的各類由碰撞產生的電磁輻射。此次被稱為GW170817的事件帶來了一系列科學成果，包括通過對引力波速度的精確計算（正如愛因斯坦所預測的那樣，引力波速度等於光速）揭開了伽馬射線爆發的神秘面紗，並在一夜之間更新了元素周期表中關於重元素宇宙來源的模型（根據對碰撞事件的引力與電磁輻射進行研究得出結論，宇宙中比鐵重的元素大多來自GW170817這樣的中子星碰撞事件）。

▲LIGO團隊成員安裝了真空設備

當S190425z與S190426c信號傳入時，世界各地的望遠鏡開始指向由引力波觀測所指示出的空間區域。然而截至本文發稿之時，研究人員們仍然沒有找到天空中存在的伴星源。

但值得肯定的是，隨著LIGO設施觀測敏感度的不斷提升，更強大的觀測能力使得我們有望在GW170817這一歷史性事件之後進一步運用好多信使觀測的強大力量。

Dwyer表示，LIGO的最新版本採用高效反射鏡進行光線反射，這意味著從光線到鏡子的機械或者熱能傳遞率極低。這一點非常重要，因為平均而言，激光在重新組合併形成檢測器干涉模式之前，需要沿著干涉儀臂進行多達1000次的自反射。

她解釋稱，「現在，我們的反射塗層已經擁有極低的吸引率，即使只吸收極少量激光，光學元件也有可能因發熱而出現變形。」

如果LIGO團隊能夠設計出損耗水平更低的鏡面塗層（這類塗層也能夠在光學、通信以及光子學等領域實現後續應用），那麼他們將能夠通過干涉儀臂的激光功率，使其從目前的200千瓦提升至計劃中的3兆瓦。

據華盛頓州里奇蘭市LIGO設施的首席科學家Daniel Sigg所言，另一項改進則涉及對激光進行「擠壓」，處理之後的激光在幅度與寬度方面將低于海森堡不確定性原理的基本判斷。

Sigg指出：「我們無法以高精度方式同時測量光子的相位幅度或強度。但這無傷大雅，因為我們只需要計算光子數，並不非常關心其相位與頻率。」

也就是說，LIGO設施會利用激光器生成「壓縮光」光束，其能夠在同一域（振幅）內具有更高的雜訊，同時降低另一項屬性（相伴或頻率）的不確定性。因此在兩個光子可觀測量之間，海森堡原理仍然有效。

這使得LIGO的「眼睛」能夠捕捉到宇宙當中越來越多活躍的天體碰撞事件；而每一次發現黑洞或者中子星的碰撞時，LIGO都會為我們帶來新的科學發現與潛在的衍生技術成果。

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