這一事件發生在一處遙遠的星系，距離地球大約13億光年。2015年9月14日這一天，兩座分別設在美國華盛頓州和路易斯安那州的雷射幹涉引力波觀測臺（LIGO）設施分別檢測到了這一事件產生的引力波信號。經過升級之後的LIGO設施被認為是目前世界上引力波探測領域靈敏度最高的科學設施之一。根據LIGO取得的數據估算，科學家們認為在這一黑洞合併事件的最後時刻，其產生的最強烈引力波釋放的能量瞬間幾乎相當於整個可觀測宇宙中所有恆星釋放能量總和的10倍。這項重大發現標誌著天文學領域一個令人興奮的嶄新時代的開端，就在今夜，我們開啟了一扇通往引力波宇宙學觀測的大門。
基本背景信息
引力波是時空的漣漪，它是由宇宙中的一些最為劇烈的事件產生的，如大質量緻密天體的碰撞或合併事件。引力波的存在早在1916年便已經由愛因斯坦預言，當時愛因斯坦證明了加速下的大質量物體將會扭曲時空，並產生從該源頭髮出的時空漣漪。這種「漣漪」將以光速穿過宇宙，攜帶著關於產生它們的那次災難性事件和引力本質的珍貴信息。
在過去的數十年間，天文學家們已經找到大量證據證明引力波的存在，主要手段是通過引力波對銀河系中近距離繞轉天體運動產生的影響所開展的相關研究。這些間接研究的結果與愛因斯坦在100年 前的預言吻合度相當好，如在考慮引力波帶走能量的情況之後，這類天體軌道的衰減過程完全符合愛因斯坦理論的計算結果。然而，從地球上直接探測引力波的信號 儘管長期以來廣受科學界期待，但卻一直未能實現突破。之所以科學家們如此期待這項突破，是因為這將提供對於愛因斯坦廣義相對論新的，且更為直接的檢驗，並 開啟人類研究宇宙的全新大門。
就在愛因斯坦預言引力波存在的同一年，另一位德國物理學家卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild） 意識到愛因斯坦的理論將允許黑洞的存在：這是一種奇異的天體，它的密度極高，引力極大，甚至連光線都將無法逃離它的束縛。儘管嚴格意義上來說我們並不能直 接「看」到來自黑洞的光，但天文學家們早已通過對黑洞施加於其周圍空間與天體的特殊效應，收集到了關於黑洞存在的大量有力證據。比如說，目前天文學家們認 為在大部分成熟的星系，包括我們銀河系的核心都存在著超大質量黑洞，其質量可以達到太陽質量的數百萬倍乃至數十億倍。另外同樣有證據顯示很多質量比這小得 多的黑洞候選體（質量在數個至數十倍太陽質量之間）可能是大質量恆星死亡之後，在經歷超新星爆發過程後留下的殘餘體。
除了在對黑洞間接觀測方面取得的重要進展之外，我們對於黑洞這種奇異天體的理論理解也已經大大深入。比如說在過去的十年間，科學家們在雙黑洞乃至黑洞合併模 型研究方面就已經取得了重要的進展。這些計算機模型讓科學家們得以構建精確的引力波形，也就是隨著黑洞之間相互接近並最終合併的過程中，其釋放出的引力波 波形特徵。因此，對於雙黑洞合併過程的直接觀測將提供一個精確檢驗愛因斯坦廣義相對論這項預言的理想的宇宙實驗室。
LIGO觀測臺
LIGO（雷射幹涉引力波觀測臺）是世界上規模最大的引力波觀測實驗室，同時也是世界上複雜程度最高的物理學實驗室之一。它由兩座大型雷射幹涉實驗設施組成，兩者相距數千公裡，分別位於美國路易斯安那州的列文斯頓和華盛頓州的漢福德。LIGO利用光和空間所具有的基本特性開展引力波的探測工作。這一探測原理最早是在上世紀60~70年代提出來的。在2000年前後世界上先後建成多座引力波幹涉儀探測設施，如日本的TAMA300、德國的GEO600、美國的LIGO和義大利的Virgo等等。在2002年至2011年間，這些探測設施進行了聯合觀測，但最終沒有取得有價值的探測結果。而在經過大規模技術升級之後，2015年LIGO設施再次開始運行，這將是一個技術複雜程度高得多的全新全球性引力波觀測網絡中投入運行的第一臺設施。
類似LIGO這樣的幹涉儀設施一般都會包括兩條長長的「臂」（LIGO兩條伸出的臂各長4公 裡）且互相呈直角分布，在臂的一端設有反光鏡，將一束雷射在其內部來回反射。因為分別位於兩臂內的雷射束的頻率和波長等特徵是完全一致的，因此當兩條光線 疊加時不會出現幹涉條紋；而如果有引力波通過實驗設施，它會導致空間本身發生拉伸或壓縮，從而導致兩條互相垂直的臂的長度出現差異。這樣一來在其中運行的 兩束雷射束便不再「同相」，於是在疊加時就會出現幹涉條紋。這就是為何我們將LIGO為代表的這類實驗設施稱為「幹涉儀」的原因。
引力波導致的空間拉伸或壓縮程度與引力波本身的強度直接相關，這種空間變形通常都非常非常小。對於我們能夠探測到的典型引力波信號，空間的變形幅度大約相當於一顆質子直徑的萬分之一不到。但LIGO實驗室具有驚人的高靈敏度，它能夠檢測到這種程度的空間變形！
不過，為了能夠順利探測到類似GW150914這樣的引力波信號，LIGO探測器除了必須具有驚人的高靈敏度之外，還必須能夠有能力將真實的引力波信號從大量噪音信號中區分出來。這樣的噪音信號有千千萬萬：比如由於環境變化或設備因素產生的微小擾動，這類信號很容易將科學家們苦苦尋找的真實引力波信號遮蔽掉。這也是為何LIGO會 選擇在兩個相距遙遠的不同位置分別建立兩套完全一樣的觀測設施的原因，因為這將讓我們能夠排除本地儀器故障或環境因素導致的幹擾信號，因為只有真正的引力 波信號才會同時在兩處探測設施中同時出現。當然嚴格來說可能會間隔千分之幾秒，因為還要考慮引力波從一處設施傳播到另一處設施所需要的時間。
另外，採用至少兩個站點的理由還有很重要的一點：當引力波探測網絡中包含了兩臺或更多探測站點之後，我們就將能夠與信號源之間構成一個三角形，從而鎖定發射源在天空中的位置。觀測網絡中參與進來的觀測站點越多，信號源在天空中的位置就能被更為精確地測定。在2016年，義大利的先進「Virgo」探測器也將加入這一觀測網絡，而未來還將有更多的此類觀測站點參與進來。
此次LIGO的觀測結果和意義
在2015年9月14日格林尼治時間09：50：45（北京時間17：50：45），位於美國華盛頓州漢福德和路易斯安那州列文斯頓的LIGO探測設施均接收到一個來自GW150914的引力波信號。這一信號首先是由被稱作「低延遲搜尋方法」的手段識別出來，該方法經過設計，專門用於對大量數據進行快速判別，其可以在不對信號波形進行細節識別的情況下快速判斷出於引力波信號的特徵。這一快速搜尋程序在相關信號數據下載後不到3分鐘的時間裡便識別出了可疑信號並向科學家發出了報告。隨後研究人員開始對這一信號進行進一步分析並與資料庫中大量可能的理論波形數據進行比對，這一過程被稱作「匹配濾波」，其目的是找到與所收到的信號數據吻合度最好的波形。
此次獲得的數據明確指向一個結論，即GW150914信號是由兩個黑洞的合併過程產生的。從分析圖上可以清晰看到，根據LIGO漢福德觀測站所獲得數據對於引力波模式的重建（灰色）與根據廣義相對論原理構建的雙黑洞合併釋放引力波波形模式（紅色）兩者之間存在驚人的吻合。
通過將實測數據與理論波形預測進行對比，使得我們能夠檢驗廣義相對論是否能夠完全描述這一事件。結果表明廣義相對論完美通過了檢驗：我們所有的觀測數據均與廣義相對論的預測完全吻合。
我們同樣也能夠運用這些數據來推測產生引力波信號GW150914的天體系統的一些特徵，包括這兩個黑洞在相互合併之前各自的質量大小，合併後形成的單一黑洞質量大小以及這一雙黑洞系統到地球的距離遠近。
我們的分析結果顯示信號GW150914是由兩個質量分別為36倍以及29倍太陽質量的黑洞合併而成的，合併後形成的單一黑洞質量約為62倍太陽質量。另外，我們還推定這一合併後產生的黑洞存在自轉，這種自轉的黑洞最早是在1963年由數學家克爾（Roy Kerr）提出的。因此可以說，LIGO探測設施此次是探測到了發生在很久很久之前，在一個遙遠星系中發生的一次重大事件！
如果我們將合併之前和之後的黑洞質量進行比較，就會發現這一黑洞的合併過程將大致相當於3個太陽的質量（約合600萬億億億千克）轉化成了以引力波形式散發出去的能量，其中絕大部分在一瞬間便被輻射了出去。相比較之下，太陽每秒鐘只會將自身質量的大約5萬億億分之一轉化為電磁輻射。事實上，GW150914所發出的引力波的輻射功率要比整個可觀測宇宙中所有恆星和星系的光度加在一起的總和還要多出10倍。
我們怎麼知道GW150914是一次黑洞合併事件？
研究人員對於GW150914信 號源合併前的兩個成員的質量估算讓我們可以非常有信心的認為這兩者都是黑洞，尤其是考慮這兩者之間快速的相互繞轉以及非常近的間距（參見圖片）。在這張圖像中，速度以光速為單位，距離則以黑洞的史瓦西半徑為單位，可以看到，這兩個成員天體的運動速度極快，且相互之間的間隔僅有數個史瓦西半徑。
這些圖像展示這兩個成員天體在合併之前，也就是在引力波頻率為150赫茲左右的時刻，其相互間隔僅有數百千米，只有黑洞擁有足夠高的密度，能夠在相距如此近的情況上仍然不至於合併。而根據我們對於這兩個成員天體總質量的估算，一對中子星的情況下質量是不足以解釋信號的，而如果是一個成員是黑洞，另一個成員是中子星的情況下，在引力波頻率還遠不到150赫茲的時候就早就已經相互合併了。
我們能夠確定GW150914是一次真實的天體物理學事件嗎？
對於這個問題，簡單的回答就是一個字：能。當然由於這是一個關鍵性問題，因此從LIGO科學合作組以及Virgo合作組的科學家們花費了巨大的努力來回答這個問題，為此開展了一系列獨立和徹底的檢驗，所有結果都增強了我們對於GW150914這樣信號的信心。
首先，正如我們之前已經指出的那樣，兩座LIGO觀 測站之間信號的延遲符合以光速先後通過這兩座站點的時間差。其次，正如在圖一中能夠見到的那樣，在漢福德站和列文斯頓站都檢測到了相似的波形信號，由於這 兩臺幹涉儀的朝向幾乎一致，因此這一點完全符合預期，並且此次信號的強度足夠強，足以使其從背景噪音信號中凸顯出來，就像在一個充滿人群的嘈雜房間裡突然 爆發出的一陣笑聲那樣，清晰可聞。
對於背景噪音的理解對於我們的分析工作至關重要，其中牽涉到對兩處站點大量各類環境數據的監測：如地面運動、溫度變化以及電壓震蕩等等。與此同時，大量數據 通道實時監控著幹涉儀的狀態，如檢查不同的雷射束是否到了正確校準等等。如果其中的任何環境或設備參數出現問題，那麼此時取得的數據就會被剔除。而在此次 信號被接收到時，儘管進行了大量研究核查，但並未發現存在類似的數據質量問題。
但或許 GW150914是一次罕見的噪音起伏信號，並且碰巧正好幾乎同時在LIGO的兩個獨立站點出現了？為了排除這種可能性，我們需要知道這樣的噪音起伏信號出現的概率有多高：其出現的概率越低，則我們排除這一可能性，從而證明GW150914是一次真實引力波信號的把握就越高。
為了開展這一統計性分析，我們使用了在這一信號被接收到之後持續16天時間內穩定的高質量探測器數據。GW150914的確是該期間兩臺探測器迄今接收到的最強烈信號。隨後我們在H1與L1數據間引入一系列人工時間位移，從而創造出一個長得多的數據集，以便我們能夠從中尋找強度上與GW150914相近甚至更強的信號。在引入時間位移信號時，通過將其設置為大於10毫秒（以光速通過兩個LIGO站點之間的距離所需的時間），我們可以確保這些人為引入的數據不會包含任何真實信號，而完全是噪音信號。此時我們可以發現，在這一長度更長的人為數據集中，有多大的概率會出現與GW150914相似的信號。這一分析結果為我們提供了出現「誤報警」的概率數值：也就是一個噪音信號被誤認為是真實信號的概率高低。
圖片展示的是在我們的探測器數據中進行的這一數據統計分析得到的結果。黑色和紫色曲線代表的是「背景」：即我們預計在不同強度的信號情況下可能會出現的隨機性噪 音「事件」。而橘色方塊代表的是剔除人為事件位移因素之後，我們實際觀測到的情況。這張圖所傳遞的一項關鍵信息是這一觀測到的事件，即GW150914的信號從背景噪音信號中凸顯出來的程度之高。這就意味著出現與GW150914相似的噪音信號的可能性非常非常低，事實上，我們預計出現強度與GW150914相近信號的概率大約是20萬年一次！這樣的「誤報警率」可以用一個參數來表達：sigma值。這種方法在統計學中被廣泛採用，用於估算某次探測信號的置信程度。這一過程確保GW150914是一個真實的引力波信號，其置信度超過5個sigma。
結論與展望
首次直接探測到引力波和首次觀測到雙黑洞合併過程都是重大的成就，但它們還僅僅代表了一個嶄新天文學篇章翻開的第一頁。
在接下來的10年裡，我們將會見證「先進LIGO」觀測臺的進一步升級以及一個全球性探測網絡的擴展，其中將會包括位於義大利境內的「先進Virgo」觀測站，位於日本境內的KAGRA觀測站，或許還有在印度境內建立的第三個LIGO觀測站。
這樣一個增強版的國際網絡將大大改進我們鎖定天空中引力波發射源位置的能力並提升對其物理參數測定的精確度。引力波天文學這一新生領域未來的前景一片光明！