天文学家推算出，GW170104引力波事件的距离远在28亿光年以外，这是迄今发现的最远引力波。
美国当地时间6月1日，LIGO（激光干涉引力波天文台）合作组织通过官网宣布，他们刚确认发现第三次引力波事件，这次是来自遥远的30亿光年以外的两个恒星级黑洞合并。
超高精度装置探测到“宇宙涟漪”
何为引力波？LIGO科学组织成员、清华大学博士后胡一鸣介绍，广义相对论可用一句话概括：“时空告诉物质如何运动，物质引导时空如何弯曲。”当物质分布改变时，时空也会相应变化，这一变化以光速向四周传播，仿佛向平静的湖面丢下一粒石子，湖面会出现一圈圈波浪向外荡去。当宇宙中发生黑洞合并等“大质量事件”时，所产生的时空波动会像涟漪那样传开，这便是引力波。1916年，爱因斯坦发表了第一篇预示引力波的论文。
由于引力波非常微弱，探测引力波很长一段时间内被视为“不可能完成的任务”。上世纪70年代，加州理工学院魏斯等人提出了激光干涉方法。这种方法采用迈克耳孙干涉仪原理，让激光在反射镜中来回反射，形成干涉条纹。引力波传到地球后，会引起干涉条纹的位移。虽然位移距离极小，但探测灵敏度如果达到10的负21次方以下量级，就有望发现引力波。
1991年，加州理工学院、麻省理工学院在美国国家科学基金会的资助下，开始联合建设LIGO。引力波探测器的主要部分是两条互相垂直的干涉臂，臂长均为4公里。两臂交会处，激光光源发出的光束被一分为二，分别进入互相垂直并保持超真空状态的空心圆柱体内，然后被终端的镜面反射回原出发点，并在那里发生干涉。若有引力波通过，便会引起时空变形，一臂的长度略微变长，另一臂的长度略微缩短，从而造成光程差变化，激光干涉条纹也会发生相应变化。
位于美国路易斯安那州利文斯顿市的LIGO 来源：新华社
经过2010年至2015年的升级改造，探测器灵敏度提高了10倍，达到10的负23次方，被称为“先进LIGO”。2016年2月11日，LIGO科学家宣布探测到引力波，引起全球关注。那次探测到的引力波，其信号是2015年9月14日捕获的。它来自13亿光年外，产生于两个黑洞的合并，合并时的一瞬间，有3个太阳质量的能量以引力波形式在不到１秒内释放。经过13亿年旅行，这圈“宇宙涟漪”被LIGO的两台探测器先后捕获。
28亿光年！迄今发现的最远引力波
自从宣布了2014年9月14日和2015年12月26日探测到的两次引力波后，天文学界几乎毫不怀疑还能发现更多的引力波事件，我们所要做的就是静静等待。经过一段时间调整，2016年9月，LIGO开启了第二阶段探测，灵敏度进一步提升。果然没过多久，引力波再次进入了它的视线。
这次引力波事件编号为“GW170104”，意思是世界协调时（UTC）2017年1月4日发现的，精确时间是10:11:58.6 UTC（北京时间1月4日18:11:58）。与前两次一样，两台巨大的探测器先后探测到在不到0.3秒的时间里，震动猛然提升到将近200赫兹，仪器发出预警，天文学家相信我们又一次发现了引力波。虽然探测臂的变化范围依然在极其微弱的5×10的负22次方，但置信度高达99.997%，相当于7万年一次的误警率，从概率上看，这次发现是确认无误的。
LIGO两台仪器探测到的引力波信号 来源：LSC
根据计算机模拟，天文学家推测这次事件依然来自两个恒星级黑洞的合并。一个约为31.2个太阳质量，另一个约为19.4个太阳质量，合并后形成总质量约为48.7个太阳质量的黑洞，释放出相当于2个太阳的能量，以引力波的方式向外辐射。这个质量正好介于前两次引力波事件之中（第一次双黑洞总质量为62个太阳质量，第二次总质量为21个太阳质量），有力地证明20个太阳质量以上大质量恒星形成的黑洞确实存在。
天文学家还推算出，GW170104事件的距离远在28亿光年以外。这是迄今发现的最远引力波（第一次13亿光年，第二次14亿光年）。28亿年前，想想那时候的地球，生命形态才刚刚从单细胞生物向多细胞生物演化。两颗大质量恒星仅仅几百万年就走完了“短暂一生”，成为黑洞，然而它们不知要经历多少亿年才能碰撞到一起。由此推测，这两颗恒星可能是在几十亿甚至将近100亿年前形成的。
这次还获得了一项新的观测发现——这两个黑洞似乎有着相反的自旋方向（至少是不同的方向），这是非常有意思的事情。双黑洞系统中单个黑洞的自旋方向，如果与两者相互绕转的方向一致，叫作“平行自旋”。科学家通常认为，一对双星如果是同时形成的，那么它们就应该符合平行自旋的特点。而黑洞的自旋方向会从其前身恒星那儿继承下来，也就是说，原来的大质量恒星往哪个方向旋转，它死亡后形成的黑洞也往哪个方向旋转。那么如果这对双黑洞自旋方向相反，就说明它们可能不是同时形成的双星，而且来自一个稠密的星团。这个发现，对星团的演化模型有非常重要的意义。
产生GW170104引力波的双黑洞合并艺术画 来源：LSC
第一次和第二次引力波事件之间相隔468天，第二次与第三次相隔375天。一方面表明宇宙中的恒星级双黑洞系统比我们想象的更多；另一方面，让我们对未来LIGO的工作效率充满期待。LIGO合作组织推算，在每立方吉秒差距（1Gpc≈32.62亿光年）的空间内，双黑洞合并（单体质量≥5个太阳质量，总质量≤100个太阳质量）的发生率为每年12—213次。
题图来源：视觉中国 图片编辑：雍凯
