捕捉引力波背后的故事(十七)

终识引力波真面目

2015年9月25日,亚利桑那州立大学的物理学家克劳斯1教授在社交媒体推特(twitter)上冷不丁地发出一条消息,说有传言LIGO已经探测到引力波,如果确实的话会很惊人。克劳斯是著名的科普作家,他在推特上拥有近49万粉丝。

他没有透露消息的来源。


升级版的aLIGO是在2010年安装完毕的。在这场脱胎换骨中,干涉仪内部的所有仪器被全部拆除,改换成更先进的版本。神奇的是,他们如此之大手术却没有破坏干涉仪长臂中那庞大体积内极高的真空。这个真空状态自1998年形成后就一直持续地维持着。LIGO主任赖茨骄傲地总结道:“我们更换了所有的东西,除了没有的东西。”2

当初的iLIGO在安装完毕后曾经花了十来年才调试到10⁻²¹的设计灵敏度。有了那个摸索过程的基础和经验,aLIGO安装完毕后只用了几个月的时间便超过了那个灵敏度。及至2015年9月,两个干涉仪的灵敏度就都达到iLIGO的3倍。这还没有达到aLIGO的设计目标,但已经是很大的改进。

干涉仪的灵敏度也可以反过来用它所能凝听的距离、体积来表示。iLIGO的灵敏度让它能听到大约6千万光年之内的双中子星碰撞所产生的引力波。这时的aLIGO的侦听距离增大了三倍,达到近2亿光年的距离。在三维宇宙中,距离增加3倍,相应体积便增大27倍。在这个扩大的体积内,有着成千上万的星系,其中可能的双中子星数量大大增加。据理论估算,iLIGO可能每十年能观测到一次双中子星合并,而这时的aLIGO已经能在一年中遇到好几次。

因为泰勒和赫尔斯的发现和其后的大规模观测,天文学家已经较清楚地知道双中子星在星系中存在的密度,因此可以有根据地做出这样的估计。但韦斯、索恩、惠特科姆等人却还抱有更大的希望。如果两个黑洞碰撞合并,因为它们的质量比中子星大得多会产生更强烈得多的引力波信号。因此,干涉仪的探测范围还会更大,有可能听到十几亿光年之外的双黑洞碰撞的回响。

在二十一世纪,物理学家对黑洞的存在已经不再怀疑。但黑洞之所以被冠名以“黑”,是因为它们的引力场如此之强,即使以光速运动的电磁辐射也无法逃逸。因此我们没法直接观察到黑洞,只能通过其对周边星球、宇宙物质的引力作用而推测。虽然黑洞的存在本身没有疑问,两个黑洞是否会彼此接近到形成双黑洞,乃至加速接近、碰撞而合并,却依然是个只存在于超级计算机模拟计算之中的壮丽。

在LIGO一帆风顺的同时,Virgo的升级过程却陷入困境,无法按时完成。到2015年秋季,LIGO不再等待Virgo的完工,先行用自己的两个干涉仪进入实际观测。也就是说,干涉仪的运作将从“工程调试运行”(engineering run)转换为实际的“观测运行”(observing run)状态。按照计划,第一个观测运行期(O1)在2015年9月15日那个星期一开始。

9月14日的星期天晚上,两个干涉仪遭遇分别来自太平洋和墨西哥海湾的风暴影响,在试图进入锁定状态时困难重重。在工作人员的持续努力下,汉福德的干涉仪当地半夜时分率先实现了锁定。随后,利文斯顿的干涉仪也在当地临晨4点之前进入了锁定。疲惫无比的工作人员长舒一口气。大部分人回家了,留守值班的也各自找安静的所在休憩。干涉仪自行维持着锁定状态,静静地等待来自宇宙的任何微扰。“O1”开始了。

韦斯正在与家人度假。他那天晚上一直在计算机上远距离关注着进展,这时也听从妻子的劝告上床休息。

大约一小时之后,一丝引力波的涟漪悄无声息地穿过地球,在当地时间4点50分先到达利文斯顿,几毫秒后又经过汉福德(当地时间2点50)。不到一秒钟后,它已经消失得无影无踪。地球上没有人觉察出它的到来和离去,只是两个干涉仪的数据记录中都留下了短暂的一串小脉冲。


欧洲这时是星期一的上午,人们在正常地上班。信号过去4分钟后,在德国汉诺威工作的意大利籍博士后德拉戈3于当地时间上午11点54分收到一份监控软件自动产生的电子邮件,提示他这个信号的出现。他的第一反应便是这个波形太像引力波了,大概又是一次“人为注入”的演习。

图中顶排是汉福德(左)和利文斯顿(右)干涉仪在2015年9月14日测得的引力波信号。右上图的利文斯顿信号上也重叠了修正时间差的汉福德的数据,显示二者的重合度。第二行的图是去除背景噪音后的观测结果与理论模拟的黑洞合并过程产生引力波的比较。第三行图显示引力波信号中所含的背景噪音部分(上两行数据之差)。最底一行显示引力波频率和强度随时间的演变。

不知是有意还是碰巧,LIGO过去两次有影响的人为注入演习——“秋分”和“大狗”——都发生在9月份。这次很可能又是故伎重演。但德拉戈和他在德国的同事都觉得太过蹊跷。aLIGO的升级刚刚完成,仅仅几小时前才勉强实现锁定。人为注入的演习不可能这么快就能实施。

他们立即向美国的干涉仪控制室打电话询问,那边依然是黎明前的寂静。汉福德那里没人接电话,利文斯顿值班人员说一切正常,他们没有在做什么调试。德拉戈再也按耐不住。他发出一份简短的邮件,提醒LIGO科学合作组织成员他的发现。此时信号刚刚过去一个小时。

惠特科姆早就计划好9月15日从加州理工学院退休。随着aLIGO进入实际观测,他在这里的使命也已基本完成。但他也应诺如果干涉仪探测到有意义的数据,他会回来协助把关,负责随后的检验、核实工作。这天晚上,退休前夕的惠特科姆睡不好觉,早上4点就起来查看邮件。看到德拉戈的信件后,他立即告知妻子:他的退休计划至少在未来几个月里是泡汤了。

接下来的一整天LIGO科学合作组织内部有点人心惶惶,大家都在互相打听是否有过人为注入的演习。只有担任组织发言人的冈萨雷斯4清楚这个答案,因为演习必须由她拍板。她看到德拉戈的邮件时百感交集,知道这非常可能就是他们梦寐以求的天籁之音。

只是她还不能暴露真相,而当务之急却是要立即补救德拉戈捅出的大娄子。一时激动中的德拉戈整个忘了他们预习、操练过的工作程序,他把邮件群发到LIGO内部好几个人员广泛的邮件组。冈萨雷斯作为邮件组的管理人,成功地拦截了德拉戈发给所有人的那一份。但其他邮件组中很多“不相关”人员已经收到了邮件。

9月16日,冈萨雷斯、赖茨与其他几位高层领导联名给整个组织发送了一份措词严肃的信件,提醒大家这个时候最最重要的是严格对外保密,不得提前泄露信息导致误会。

亡羊补牢显然已经晚了。九天后,克劳斯便发出了他的推特。随后,冈萨雷斯的电话被闻风而来的记者打爆。她只能以官腔套话应付,同时在内部颁布禁言令,禁止回应、评论克劳斯的消息或在社交媒体谈论此事。希望克劳斯的捕风捉影能够自生自灭。

在惠特科姆的领导下,负责核查数据的人员已经按照既定程序按部就班地排查地震、飓风、陨石、风暴等等一切可能的随机噪音源。他们果然在国际气候数据库中发现西非的布基纳法索在同一时间有过一次异常强大的雷电袭击。深度数据分析表明该电击事件距离太远,无法震动美国干涉仪的悬镜。

但惠特科姆更为忧虑的是人为的因素:既然他们可以设计出瞒天过海的人为注入手段,难道他们团队中那么多聪明绝顶的年轻人不会有人动同样的心思以促狭?会不会有人离开项目后心存不满而故意捣乱?甚至,有没有可能系统被外面的黑客打入?看到他几乎成为偏执狂的状态,同事安慰他道,如果黑客中真有人能干出这么漂亮的捣蛋,那本身也该值得赢个诺贝尔奖了。

一直到接近年底的三个月后,他们终于确定这个信号的真实。


过去二三十年里,当实验物理学家兢兢业业地设计、制作、调试激光干涉仪时,只擅长“纸上谈兵”的理论物理学家也没有袖手旁观。他们利用威力越来越强的超级计算机对各种可能的引力波源进行了全面、详细的模拟计算。仅仅是两个星球碰撞合并就会有几十万种不同组合:不同质量的黑洞碰撞、不同质量的中子星碰撞、不同质量的黑洞与中子星碰撞、碰撞之前不同的初始条件、碰撞之后合并星球的不同质量、它们与地球距离的不同远近、轨道相对地球的不同角度……每一种情形会产生稍微不同的引力波波形,犹如每个事件有着独特的指纹。他们建造了一个全面的引力波波形数据库,一旦测量到信号便可以按图索骥。

与2015年9月14日测得的信号最符合的是两个黑洞的碰撞,其中一个质量是太阳的36倍,另一个则是29太阳质量。二者合并之后,产生了一个62太阳质量的大黑洞。前后所差(36+29-62)的3个太阳质量便全都被转换为引力波的能量,爆发性地向整个宇宙激荡。测量到的信号与理论预测非常准确的高度契合也为信号的真实性提供了更大的信心。

我们的太阳每秒钟释放的能量是其本身一个太阳质量的一万亿之一的十亿分之二。这“区区”一点能量已经足以为地球上的生物提供合适的光亮和温暖。这次黑洞的合并是三倍于太阳质量的能量在几微秒内的释放,真可谓“惊天动地”。或者说,这个瞬时释放的能量是宇宙中所有恒星发光的能量总和的十倍还多。因此,这也是人类所确知的除了宇宙大爆炸之外最剧烈的能量释放事件。

这两个黑洞质量如此之大,它们碰撞释放的能量如此之强,以至于它们虽然相距地球达13亿光年之远,也被LIGO的激光干涉仪捕捉到了。

LIGO所测到的还不只是那一瞬间的辉煌,而是包括了两个黑洞碰撞前最后的四圈公转,以及合并后新黑洞的身影。虽然这整个过程只持续了大约0.2秒,引力波的波形却提供了一个栩栩如生的图景:信号伊始时,两个黑洞相距大约与它们自身大小5倍的距离,有着三分之一光速的相对速度。它们像交谊舞的舞伴相拥旋转了四圈,在信号中表现为8个近乎标准的周期。这个阶段叫做“旋进”(inspiral),其间黑洞之间距离越来越小、相对速度越来越大,测得的引力波的振幅也随之增大、频率升高,犹如小鸟的啁啾(chirp)。然后,黑洞接近到它们自身大小的距离,相对速度达到接近百分之六十的光速。这时它们轰然合并(merger),引力波的振幅达到最高峰。随后,如同被突然打击了一下的锣鼓,合并之后的大黑洞还会发出一小段急剧减弱引力波信号,叫做“铃宕”(ringdown)过程。最后,一切恢复静寂,仿佛什么也没有发生过。

2015年9月14日汉福德测得的(去除背景噪音后)引力波信号(灰线)与理论计算(红线)的对比。上图显示两个黑洞接近、合并和铃宕的整个过程。下图是相应的两个黑洞之间的距离(黑线,右边坐标轴)和相对速度(绿线,左边坐标轴)。

在宇宙空间以光速传播了15亿年后,这个引力波终于来到地球。她只剩下10⁻²¹级别的微弱荡漾,却依然保留着这些细节供我们回放远古的历史。


LIGO的论文于2016年1月21日送交《物理评论快报》。期刊事先已经得到讯息,接到稿件后立即优先安排同行评议。1月27日,匿名的审稿人便通过了审阅。1月31日,稍经修改后的定稿送达期刊,排定为2月11日正式发表。

《物理评论快报》是物理学界最为引人注目的科研期刊。作为“快报”,其宗旨是迅速、简洁地发表重大突破性的成果。发表的文章篇幅一般限制在4页之内。LIGO这篇里程碑式的论文显然篇幅过长,共有16页。其中满满5页却全都是作者和所属科研单位的名单——共有1011名作者,代表着16个国家的133个大学、机构。尽管这次探测是在Virgo和GEO600缺席5的情况下由LIGO的两个干涉仪独立完成的,论文作者还是根据事先的合作协议包括了所有的有关人员。

出于韦伯的原罪和BICEP2的乌龙,LIGO领导层坚持必须在同行评议通过之后才能公开这个结果。他们同时也知道,随着时间的拖长,保密会越来越困难。2016年1月11日,克劳斯又发出一份推特,声称他有了新的消息源,旁证他三个多月前发的探测到引力波的消息之真实。物理学界也已经沸沸扬扬,消息、传闻、猜测不胫而走。

众人翘首以盼的记者会终于在2016年2月11日召开。《物理评论快报》配合行动,在记者会同时将论文在网站上推出。他们在头天晚上特地将原有的4个网站服务器增加到6个。但几分钟之内还是因为过多的流量而集体宕机。他们不得不临时再增加10个服务器。

赖茨、冈萨雷斯、韦斯、索恩相继在会上介绍了引力波的发现及其意义。赖茨直截了当地宣布,“女士们、先生们:我们已经探测到了引力波。我们做到了!”

这还不仅是人类第一次直接探测到引力波,而且也是第一次与黑洞最真切的亲密接触。虽然物理学家对黑洞的存在已不再存疑,对它们的了解却还是非常之少。他们猜测宇宙中存在两种不同来源的黑洞:其一是大型星系——比如我们的银河系——的中心存在的巨型黑洞,它们的引力场维系、携带着整个星系在广宇中漫游。另一类则是由大质量的恒星在核燃料耗尽后崩塌而成,是白矮星、中子星的同袍大哥。因为恒星内部热核反应速度与它的大小、质量息息相关,一般认为恒星不可能长得太大。它们塌陷后形成的黑洞应该只是太阳质量的十几倍。

LIGO的第一个实测结果便揭示了29倍、36倍、62倍太阳质量的“大”黑洞的存在,超越了原先的想象。它更第一次证明了黑洞双星体系的存在以及它们碰撞合并的可能,进一步丰富了天文学的认知。

在描述了这些划时代意义的重大发现之后,冈萨雷斯自信地预言,这还只是LIGO干涉仪探测到的第一个信号。今后,他们一定会持续有新的发现。她没有透露的是,其实更多的信号当时已经被探测到,只是尚未通过他们严格的鉴定程序,因此还没到能够公开的时机。

(待续)

目录

1

Lawrence Krauss

2

We changed everything, except for nothing.

3

Marco Drago

4

Gabriela Gonzalez

5

前者因为升级尚未完成;后者则当时未处于观测状态,也不具备需要的灵敏度。