研究人员宣布第三次探测到引力波——这是时空结构中的涟漪。
100多年前，阿尔伯特·爱因斯坦在广义相对论中预言了引力波；然而，天体物理学家经过50多年的反复试验，才找到支持其理论的直接证据。
激光干涉引力波天文台（LIGO）于2017年1月4日探测到引力波。引力波会穿过地球，而灵敏度极高的LIGO探测器能够“听见”它们。
请在本期播客中聆听引力波的“啁啾声”：
2015年9月，人类首次直接观测到引力波，期待已久的这一胜利实现了爱因斯坦的设想：宇宙中的空间与时间彼此交织，且不断变化。
“人类竟能构建并检验一种解释，来理解数十亿年前、距我们数十亿光年之遥发生的这些奇异而极端的事件，这实在令人惊叹。”
这第三次、也是迄今最近的一次探测表明，发生并合的黑洞距离地球约30亿光年，是此前两对黑洞距离地球的两倍。这一次，两个黑洞的大小并不相同，其中一个明显比另一个轻。它们并合后形成的黑洞，其大小介于另外两对并合黑洞所形成的黑洞之间。
“迄今为止，我们探测到的少数几个黑洞，正揭示出一个引人关注、直到现在我们才知道其存在的黑洞种群，”LIGO科学合作组织（LSC）的资深天体物理学家维姬·卡洛格拉（Vicky Kalogera）说。该组织开展与位于美国的两台LIGO探测器相关的研究。她还担任西北大学天体物理中心CIERA主任，并任物理学与天文学教授。
“如今我们发现了三对黑洞。每一对都在数百万年或数十亿年的死亡螺旋舞后，以宇宙中最强大的爆炸之一终结。在天文学中，同一类型的天体有三个，我们就可以称之为一个类别。现在我们有了一个种群，可以开展分析。”
“黑洞果然还是很重，”西北大学物理学与天文学研究副教授、芝加哥阿德勒天文馆天文学家肖恩·L·拉尔森（Shane L. Larson）说。
“LIGO探测到的第一批黑洞，其质量是我们原先预想的两倍。现在我们都在绞尽脑汁，试图弄清宇宙可能通过哪些有趣而多样的方式形成如此巨大、如此沉重的黑洞。”
第三次探测是新论文的研究主题，该论文已获期刊《物理评论快报》发表。
“第三次确认探测到两个黑洞碰撞产生的引力波，这让LIGO逐渐成为一座强大的天文台，能够揭示宇宙的黑暗面，”加州理工学院（Caltech）LIGO实验室执行主任戴维·赖策（David Reitze）说。“LIGO特别适合观测这类事件，我们也希望很快能看到其他类型的天体物理事件，例如两颗中子星的猛烈碰撞。”
这幅将银河系投影到透明球体上的三维图像，展示了LIGO确认的三次黑洞并合事件可能发生的位置：GW150914（蓝色）、GW151226（橙色）以及最近探测到的GW170104（洋红色）；图中还标出了第四次可能的探测事件，其显著性较低（LVT151012，绿色）。每个事件的最外层轮廓表示90%的置信区域；最内层轮廓表示10%的置信区域。
约为太阳质量的50倍
最新发现进一步证实，存在一种新的黑洞双星类别，其质量高于研究人员在LIGO投入运行前认为可能达到的水平。
“与前两次探测的情况一样，我们新论文中报告的引力波，是两个黑洞并合形成一个更大黑洞时产生的。在最近这次并合中，最终形成的黑洞质量约为太阳的50倍，”论文合著者、墨尔本大学物理学院博士生、澳大利亚研究理事会引力波卓越中心（OzGrav）成员孙玲解释道。
这填补了LIGO此前探测到的两个并合黑洞质量之间的空白：它们的质量分别为62个太阳质量（首次探测）和21个太阳质量（第二次探测）。
“我们进一步确认了质量超过20个太阳质量的黑洞确实存在；在LIGO探测到它们之前，我们并不知道这类天体存在，”麻省理工学院（MIT）的戴维·舒梅克（David Shoemaker）说。他是LSC的发言人。“人类竟能构建并检验一种解释，来理解数十亿年前、距我们数十亿光年之遥发生的这些奇异而极端的事件，这实在令人惊叹。”
强大碰撞
这次新探测的事件名为GW170104，发生在LIGO目前的观测阶段。这一阶段始于2016年11月30日，将持续到夏季。LIGO利用两台探测器开展观测，一台位于华盛顿州汉福德，另一台位于路易斯安那州利文斯顿。
LIGO于2015年9月首次探测到引力波，当时正值其首次观测阶段，此前该探测器已通过名为Advanced LIGO的项目完成重大升级。第二次探测发生于2015年12月。（LIGO探测器从2016年1月至11月停机，接近一年。）
在这三次事件中，LIGO的两台探测器都探测到了黑洞双星并合产生的巨大能量引力波——在黑洞并合前的一瞬间，这些碰撞释放的功率超过了宇宙中所有恒星和星系在任一时刻以光辐射出的总功率。
最近一次探测到的黑洞距离最远，约为30亿光年。（首次和第二次探测到的黑洞分别位于13亿和14亿光年之外。）
两种理论
目前有两种主要模型可以解释黑洞双星如何形成。
一种模型认为，黑洞在人生后期于密集的星团中相遇。它们沉入星团中心后组成双星。在这种情形下，黑洞的自旋方向可以相对于其轨道运动方向任意取向。
“这是我们首次获得证据，表明这些黑洞的自旋可能并未对齐。这给了我们一点线索，说明黑洞双星可能形成于致密星团中，”宾夕法尼亚州立大学物理学、天文学与天体物理学教授、论文共同负责人B. P. 萨蒂亚普拉卡什评论道。
另一种模型认为，黑洞诞生于同一个双星系统：一对恒星中的每颗恒星爆炸后形成黑洞。由于原来的恒星自旋方向一致，黑洞也大体保持对齐，尽管未必完全对齐。
GW170104提供了线索，表明两个黑洞中至少有一个的自旋方向可能与双星轨道不对齐，这在一定程度上支持了致密星团形成理论。
LIGO实验室由美国国家科学基金会（NSF）资助，并由加州理工学院和麻省理工学院运营；这两所院校构想并建成了该天文台。NSF是Advanced LIGO项目的主要资助方，德国（MPG）、英国（STFC）和澳大利亚（ARC）的资助机构也为项目作出了重要投入。
来自世界各地的1,000多名科学家和工程师通过LIGO科学合作组织参与这项工作，该组织包括GEO合作组织。LIGO还与Virgo合作组织开展合作；该组织得到法国国家科学研究中心（CNRS）、意大利国家核物理研究院（INFN）和Nikhef的支持，其主办机构欧洲引力天文台是一个联盟，另有遍布欧洲的280名科学家参与其中。更多合作伙伴名单见此处。
