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文章來源 科學網程鶚的博客 2018-7-9 08:45 ? 人類自古便仰望星空，用肉眼觀賞、辨識滿天的繁星。伽利略（Galileo Galilei）在17世紀初率先用自制的望遠鏡指向天體，擴展了人類的視野。麥克斯韋爾之后，物理學家知道光只是電磁波的一部分，在可見光之外還有著精彩的世界：從低能的射電、微波、紅外線到高能的紫外線、X射線、伽瑪射線，我們的“眼睛”越睜越大，“看到”的越來越多，對宇宙的認識也越來越全面。但直到2015年9月14日之前，我們還僅限于“仰望”，即僅僅依賴于電磁波所帶來的“視覺”信息。 引力波是一個全新的信息載體。與在時空中傳播的電磁波不同，引力波是時空本身的脈動。由于這種波動在意象上與在空氣中傳播的聲波有一些類似之處，人們自然地將引力波與聲音做類比。正如韋斯當年領悟的那樣，LIGO探測到的引力波頻率與他酷愛的鋼琴樂聲重合。在記者會上，他們也將測得的引力波信號直接播放，稱之為“黑洞合并時發(fā)出的聲音”。 于是，“時空樂章”、“引力波漣漪”、“宇宙回響”等與聲音有關的華麗辭藻被普遍用來描述引力波。雖然這只是一個類比，但人類確實是打開了一條新的“聽覺”渠道：我們不再只是睜眼仰望星空，也能夠同時豎起耳朵聆聽天籟之音。 這便是沃格特領銜提交給國家科學基金會的申請中引述馬基雅維利的詩句所體現(xiàn)的，LIGO的使命是革命性地“引入一個全新的秩序”。賴茨后來在記者會上稍微低調了一點，指出LIGO的成功完成了“天文學從無聲電影到有聲電影的過渡”。 比令在1989年開始他的引力波探測時曾向同事保證他不會在看到引力波之前死去。2016年時，101歲的比令又聾又瞎，獨自住在養(yǎng)老院里。當后輩帶著好消息來看望他時，他似乎短暫地恢復了記憶，喃喃道，“啊，引力波。我已經忘記了這么多事情。”一年后，比令去世。 雖然沒到那樣的高齡，進入老年的布拉金斯基退休后一直與疾病纏斗，同樣掙扎著要活到看到引力波的那一天。得愿后不久，他于2016年3月29日辭世，終年84歲。他在莫斯科大學的團隊也一直繼續(xù)是LIGO的一支主力部隊。 德瑞福也在蘇格蘭的養(yǎng)老院中頤養(yǎng)天年。他已經完全陷入老年癡呆，渾然不知世事。護士將他推到轉播LIGO記者會的電視機前時，似乎看到他的昏昏老眼里閃出一絲光亮。2016年9月，索恩在去歐洲領獎時特意繞道到愛丁堡拜訪了德瑞福，居然還交談了良久。德瑞福的弟弟說那是他少有的神志清醒的一天。索恩倍感欣慰地發(fā)現(xiàn)德瑞福明白他們已經成功探測到引力波。兩個老人貼心敘舊，共同回憶當年為LIGO奮斗的歲月。 2017年3月7日，德瑞福去世，終年85歲。他的家人將其遺產五十萬英鎊捐獻給格拉斯哥大學，設立了德瑞福獎學金，每年資助一名研究生的學業(yè)。 LIGO在2015年9月探測到引力波，經過四個多月的核實才在2016年2月11日宣布。這當然是出于他們的謹慎和負責。他們當時不會想到的是，這段拖延無意中為諾貝爾獎委員會解決了一個棘手的難題。 每年諾貝爾獎的提名截止日是1月31日。LIGO正好錯過，無緣2016年的諾貝爾獎。在接下來的一年里，LIGO的成就幾乎攬括了科學界所有沾得上邊的獎（包括中國的“復旦—中植科學獎”和香港的“邵逸夫獎”）。這些獎項的頒獎對象略有不同，基本上都有韋斯和索恩兩員主將，有些包括了德瑞福，有些則包括巴里什，還有的干脆頒發(fā)給整個團隊。 諾貝爾獎比較死板。當初諾貝爾在設立獎金的遺囑中規(guī)定了幾個條件，包括獲獎者必須是個人、而且是在世的活人，每項獎的獲獎者不得超過三人。這兩個條件一直被除和平獎以外的獎項頑固地堅持著，即使其它一些“不方便”的條件（比如獲獎的應該是當年或最近的工作）早已被束之高閣。 發(fā)現(xiàn)引力波的成就應該獲得諾貝爾獎是毫無疑問的理所當然。韋斯、索恩、德瑞福、巴里什四個主要角色如何取舍成三名獲獎者卻是一個人為的困境。在德瑞福去世之前，有些媒體已經提前為巴里什可能落選鳴不平，認為他力挽狂瀾和項目管理的卓越不應被忽視。 德瑞福的去世大概讓諾貝爾獎委員會成員大大地松了一口氣。2017年10月3日，他們順理成章地宣布將當年物理學獎頒發(fā)給韋斯、索恩和巴里什三人。為了突出韋斯在干涉儀設計中的原始貢獻，他獨自獲得一半獎金。索恩與巴里什平分另一半。
韋斯、索恩、巴里什（從右到左）榮獲2017年諾貝爾物理學獎 還在LIGO通過記者會向全世界宣布他們的重大發(fā)現(xiàn)之前，他們的兩個干涉儀已經分別在2015年10月12日、12月26日兩次探測到新的引力波信號。因為需要集中精力查證9月的那第一個信號，這些數(shù)據(jù)被暫時擱置，直到2016年6月15日才公開。10月12日的信號的統(tǒng)計意義比較弱，沒有被正式確認為引力波。12月26日那次則被認定為另一例黑洞的合并。這次是兩個分別為14.2和7.5太陽質量的“小”黑洞合并。它們距離也遠一些，來自14億光年之距。因為黑洞的質量比較小，LIGO得以觀察到兩個黑洞相互繞行27圈的“緩慢”旋進。合并后的黑洞有20.8太陽質量，只有0.9太陽質量被轉化為引力波。 捕捉到這個信號之后不久，LIGO的第一次測量運行（O1）也于2016年1月19日結束。兩個干涉儀關機下線，進行儀器調試改進。O1只持續(xù)了短短的四個月，但已經成果斐然。 經過將近一年的離線調試，原來在靈敏度上稍遜一籌的利文斯頓干涉儀有了顯著的提高，反超漢福德。后者的靈敏度沒能得到進一步改進，卻也有了更好的信噪比。2016年11月30日，第二次測量運行（O2）正式開始。不久，他們便又在2017年1月4日、6月8日兩次測得新的黑洞合并所發(fā)的引力波信號。 2017年8月1日，意大利的aVirgo終于完成了升級，加入探測行列。8月14日，地球上第一次有三個干涉儀同時探測到引力波，實現(xiàn)了對引力波來源的三點定位。（德國的GEO600因為靈敏度不足，迄今尚未探測到任何引力波.） 韋斯當年為LIGO命名時，曾因為這個名稱中含有“天文臺”的字眼與天文學界發(fā)生沖突，不得不解釋他們這個項目并不真的是傳統(tǒng)意義的天文臺。隨著這一系列觀測結果的持續(xù)出現(xiàn)，他們這時倒已經成為一個名副其實的引力波天文臺。與此同時，新聞媒體卻不再有興趣跟蹤報道這些新發(fā)現(xiàn)，引力波已經演變?yōu)闆]有新聞價值的家常便飯。而當年持懷疑、反對態(tài)度的天文學家們也早已捐棄前嫌，進入為了人類科學大事業(yè)共同合作的新時期。很快，他們也收獲了欣喜的回報。 當我們的耳朵突然聽到附近意外的聲響時，我們會自覺或不自覺地轉頭觀看，試圖用眼睛發(fā)現(xiàn)這個聲響的來源并獲取耳朵無法分辨出的更多信息。LIGO很早就認識到，單獨用干涉儀傾聽引力波并不全面，也需要同時睜開眼睛，細察雙星合并的精彩。 凝聽宇宙的干涉儀與我們的耳朵還有一個很相似的地方：可以耳聽八方。仰躺在地球表面的干涉儀能夠聽到來自各個方向的引力波（只是不同方向上的靈敏度略有差異）。相反，我們現(xiàn)有的各種光學、射電、X射線、伽瑪射線等電磁波望遠鏡卻也與我們的眼睛類似：只有非常有限的視角，只能在對準光源后才能接收到信號。 因此，干涉儀更適合于最初的發(fā)現(xiàn)。當他們“聽到”信號后，如果可以指揮其它望遠鏡“轉頭”尋找來源，則可能“看到”更多、更詳細的信息。 1960年代，美國軍方發(fā)現(xiàn)他們的間諜衛(wèi)星有時會遭到為時短促的伽瑪射線束“攻擊”。經過大概十年的研究才確認這個威脅其實來自宇宙空間，非敵方的人類所為。天文學家猜測那是某些大質量星體甚至黑洞爆炸、碰撞等“宇宙事件”的產物，但苦于無法確證。所能作的只是試圖獲取更多的信息。 1990年代中期，天文學界開始對偶然發(fā)生的伽瑪射線、X射線爆發(fā)事件進行統(tǒng)一協(xié)調的多方位、多渠道觀測。地球表面和大氣層外的人造衛(wèi)星上的很多具備遠程控制功能的望遠鏡已經實現(xiàn)聯(lián)網。一旦某個望遠鏡接收到不明來源的突發(fā)性信號，立即會把坐標自動“群發(fā)”給其它伙伴。頓時，世界各地以及外空中的上百架望遠鏡可以一齊指向那個方向，試圖捕捉同一事件的伴隨信號。 從一開始，LIGO科學合作組織便加入了這個聯(lián)網，準備利用他們耳聽八方的優(yōu)勢幫助天文學家尋找目標。不過，2015年9月14日的第一個發(fā)現(xiàn)來得太突然，這些自動協(xié)調的機制尚未到位。岡薩蕾斯等人只好親自打電話通知天文臺的朋友，請他們臨時“轉頭”觀測，結果一無所獲。隨后的幾次引力波的發(fā)現(xiàn)開始了實時引導天文望遠鏡的觀測，也同樣地沒有成果。 這其實屬于意料之中。干涉儀所發(fā)現(xiàn)的五次引力波都來自黑洞的碰撞合并，整個過程始終是在黑洞強大的引力場內進行，沒有什么物質——包括電磁輻射——可以逃逸。因此除引力波之外并不能指望有其它的信號可以被觀測到。（當然，這并不是說天文學家不需要去嘗試，因為新的科學發(fā)現(xiàn)往往會出現(xiàn)在意料之外.） 當黑洞的合并已經習以為常后，LIGO的科學家翹首以盼的是能夠發(fā)現(xiàn)中子星的合并。中子星沒有黑洞那么強的引力場，其合并過程會伴隨著強大的電磁輻射。雖然合并本身的過程極其短暫，發(fā)射的引力波脈沖稍縱即逝，但可見光、伽瑪線、X射線等往往是在合并時星體物質高速碰撞、被拋射時和之后才發(fā)生，因此輻射的過程也比較長，正好給地球上的望遠鏡提供“轉頭”尋找的時機。 這個機會終于在2017年8月17日出現(xiàn)。也就是三個干涉儀同時發(fā)現(xiàn)黑洞合并的三天后，三劍客又同時獲得新的信號。與前五次不同的是，這是人類第一次直接探測到雙中子星合并的引力波。 這個信號首先到達意大利的Virgo，然后在22毫秒后來到利文斯頓，再3毫秒后通過漢福德。與黑洞合并時探測到的不到一秒鐘的脈沖不同，質量小的中子星合并是一個相對緩慢的過程，探測到的引力波信號持續(xù)了約100秒。分析表明這是兩個質量稍大于太陽的中子星合并，產生了一個2.7太陽質量的新黑洞。這次合并發(fā)生在大約1億3千萬光年的距離，相對來說是比較近的。
LIGO公布的2017年8月17日雙中子星合并的基本科學數(shù)據(jù) 引力波過去1.74秒后，在地球上空軌道上運行的美國費米伽馬射線太空望遠鏡（Fermi Gamma-ray Space Telescope）探測到一組歷時約2秒的伽馬射線風暴。 LIGO和費米望遠鏡都及時發(fā)出了預警。在他們聯(lián)合定位的引導下，地球上多個光學觀測組在其后的數(shù)小時內集中搜尋，在指定范圍內發(fā)現(xiàn)了一個新的光源，猶如那里短暫地出現(xiàn)了一顆新的星星——那便是雙中子星合并后的殘余。位置確定后，地球上大約70個不同的望遠鏡都瞄準了那顆新星，進行射電、紅外、可見光、紫外、X射線、伽瑪射線的全方位持續(xù)觀測。 歐洲南半球天文臺（European Southern Observatory）的“非常大望遠鏡”（Very Large Telescope）連續(xù)跟蹤觀測了12天。雙星合并之初，可以觀測到相對很強的光亮，最明亮的是在從綠光到橙光的可見光頻段。隨著時間的流逝，總體光強逐漸減弱，最明亮的區(qū)域慢慢地移向能量小的紅光、紅外。11天后，新星消失，不再能觀察到。
“非常大望遠鏡”對2017年8月17日發(fā)現(xiàn)的雙中子星合并的11天跟蹤測量紫外、可見光、紅外（從左往右）頻段光譜。橫坐標是波長，縱坐標是亮度。曲線上的數(shù)字標注合并后的天數(shù)
10月16日，共囊盛舉的世界各地天文學家集體對外公開這一次不尋常的觀測，同時發(fā)表了幾十篇論文，從各種角度報告觀測的結果。頗具代表性的是一篇題為《雙中子星合并的多信使觀測》（Multi-messenger Observations of a Binary Neutron Star Merger）的論文，署名有3千多位共同作者，在天文領域屬于絕無僅有。 “多信使”一下子成為時髦的新聞用語。這次觀測標志著人類擺脫了“仰望星空”的單一依賴電磁波作為信息載體（信使）的局限，在“看”的同時也能“聽”到另一個信使——引力波——帶來的消息。這是LIGO所帶來的又一個劃時代的突破。比較遺憾的是，在電磁波和引力波之外，這次的合并事件中沒有接收到相應的中微子束，因此沒能實現(xiàn)更全面的多信使觀測。這應該是因為合并時中微子的發(fā)射方向沒有指向地球。 雙中子星合并的引力波與初始的伽瑪射線風暴幾乎同時抵達地球，證實了廣義相對論中引力波以光速傳播的預言（伽瑪射線稍微滯后將近2秒，是因為它們發(fā)出的時間上有差異）。這也是我們第一次有確切的證據(jù)表明過去觀測到的短促伽瑪射線“攻擊”的確來自雙中子星合并。 光學望遠鏡的測量也揭示了諸多從引力波無法“聽到”的信息。通過光譜分析可以知道中子星合并時產生了大量鉛、金、鉑等重金屬元素，解決了天文學中一個歷時悠久的疑問。物理學家已經知道，通過恒星內部的熱核反應，原始的氫元素能夠逐級聚變產生氦、碳、氧等元素。但重金屬元素的來源一直無法確定。這次的發(fā)現(xiàn)令科學家相信，我們地球上——整個宇宙中——的所有金子，以及制造原子彈的鈾和钚、日常電器中不可或缺的稀土元素等等，可能絕大部分都來自遠古某些雙中子星的合并。 2017年8月25日，雙中子星合并發(fā)生的11天后，運行了近九個月的O2結束了。LIGO的干涉儀再度下線維修、改進。目前我們還不知道下一輪的測量運行（O3）會在什么時候重新啟動，又會帶來怎樣的驚喜？ |
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