鐳射干涉引力波天文臺（簡稱：LIGO）如果能夠檢測到引力波將會意味著什麼？

在過去的十多年來，一類新型的天文學在不知不覺中發展起來：引力波天文學。引力波檢測器並不使用望遠鏡觀測宇宙，而是使用鐳射，它們相互垂直髮射和反射，然後在重組後重建以產生特定的干涉圖樣。

【展示了兩個正在合併的黑洞及其它們如何改變相對論中出現的背景時空。】

這種裝置——鐳射干涉儀引力波天文臺（LIGO） 在2002年至2010年期間展示了其驗證概念，然後在更新期間關閉了五年時間。通過升級版的鐳射干涉儀引力波天文臺重新啟用了該功能，在兩天內，升級後的鐳射干涉儀引力波天文臺合作專案將首次宣佈重要訊息，外界推測他們打算宣佈對引力波的第一次直接探索。這到底意味著什麼，讓我們繼續往下看吧！

這是一個以二元黑洞為核心的星系。圖片來源：美國國家航空局，歐洲航空局，哈勃文化遺產（STScI / AURA）-ESA /哈勃合作組織和A. Evans （弗吉尼亞大學，夏洛茨維爾分校/ NRAO /石溪大學）。

當愛因斯坦的廣義相對論被首次提出時，它與以往的時空概念截然不同。物質和能量並不是恆定不變的，相反，它們是相互依賴的：它們依賴彼此，並且會隨時間變化。如果僅有一個單一的品質，並且在時空中靜止（或在沒有任何加速度的情況下移動），則時空不會改變。但是，如果新增第二個品質，則這兩個品質將發生相對移動，產生相對速度，這將改變原有的時空結構。特別是，當一個巨大的粒子在重力場中移動時，廣義相對論的性質意味著品質將得到加速，併產生一種新的輻射：引力輻射。

圖片來源：歐洲南方天文臺（ESO）/ L。Calçada，一個圍繞雙星伴星和引力波執行的脈衝星 結果造成的時空波動（或波動）。

當然，物質會以光速穿越太空，但物質本身就是太空結構中的一個漣漪。它把能量從加速的品質中帶走，這意味著如果兩個品質相互環繞，這個軌道會隨著時間而衰減。正是這種引力輻射——在太空中引起漣漪的波——把能量帶走了。對於像地球這樣繞太陽公轉的系統來說，它的品質(相對而言)很小，距離也很遙遠，所以這個系統需要10^150年以上的時間或者宇宙現在年齡的很多很多倍才會衰弱(許多時候，理論上的資料甚至可能是壽命最長的恆星壽命的幾倍)。但是對於黑洞和中子星來說，它們的軌道衰變已經能被觀測到了。

我們懷疑那裡甚至存在我們根本無法檢測到的更強大的系統，例如黑洞相互融合並融合。這些應該會表現出特徵訊號，例如吸氣階段，合併階段，然後是振鈴階段，所有這些都會導致鐳射干涉儀引力波天文臺能夠檢測到的引力波產生。鐳射干涉儀引力波系統的工作方式非常先進，它利用了這些引力波的獨特輻射。特別是，它們是如何引起時空響應的。

這些波紋通過在彼此垂直的方向上壓縮然後擴充套件空間的方式存在，頻率和強度取決於它們來是如何形成的、具有哪些特性。例如兩個物體相互纏繞成螺旋狀，它們之間的距離，以及它們與我們的距離。升級版的鐳射干涉儀引力波系統沿垂直於兩個方向的軸向下發射兩個具有相同頻率/波長的相同頻率/波長的鐳射，將它們從反射鏡上反射多次（有效地將光程增加到數千公里），然後將它們重新組合在一起，它們在彼此之間形成干擾模式。

在正常情況下（沒有引力波通過），這些路徑長度相等，它們的干涉影象看起來也很正常。但是，倘若確實有引力波穿過，這種轉變將會告訴我們這個系統各個部分的品質，它們之間相隔多遠、我們之間又相隔多少距離。

我們建立了兩個先進的鐳射干涉儀引力波系統：一個位於美國西北部（華盛頓），另一個位於美國東南部（路易斯安那州），而且如果兩個探測器都看到相同的物體，我們將迎來第一個引力波！此版本的鐳射干涉儀引力波系統對位於一至幾百個太陽品質之間的兩個黑洞最敏感，這些黑洞合併需要數百萬個光年：預計每年至少發生幾次。

如果這次合作宣佈了他們的第一次探測活動，他們將不僅為我們提供這些珍貴的資訊，這更是對愛因斯坦廣義相對論的一次全新的成功測試和驗證引力波的第一次直接證據。高階鐳射干涉引力波天文臺是迄今為止建造的最先進的引力波觀測站，也是第一個能看到真實訊號的觀測站。有近1000名科學家參與了這個專案，這是為尋找引力波而設計的最大的出一次科學合作專案。如果一切如我們所推測的那樣，一個天文學的新時代就要開始了。

安裝升級版高階鐳射干涉儀引力波系統。圖片提供：Chertech / MIT / LIGO實驗室，由謝羅兒·沃維克(Cheryl Vorvik)拍攝。

我非常反對以謠言為根據來做科學研究-我對勞倫斯·克勞斯（Lawrence Krauss）去年毫無根據地開始散播這種謠言感到特別震驚-因為這應該由鐳射干涉儀引力波天文臺團隊來宣佈。但是，如果他們發現了引力波，它將告訴世人：愛因斯坦的相對論是正確的，引力輻射是真實的，合併的黑洞不僅會產生引力波，而且這些波都可以被檢測到。這是一種全新的天文學——不需要使用望遠鏡——而是一種全新的方式來檢視黑洞、中子星和其他通常不可見的物體。我們可能會以前所未有的全新視角來觀察和研究宇宙。

相關知識

黑洞是時空展現出引力的加速度極端強大，以至於沒有粒子，甚至電磁輻射，像是光都無法逃逸的區域。廣義相對論預測，足夠緊密的品質可以扭曲時空，形成黑洞；不可能從該區域逃離的邊界稱為事件視界 。雖然，事件視界對穿越它的物體的命運和情況有巨大影響，但對該地區的觀測似乎未能探測到任何特徵。