引力波天文學(xué)

苗千

“天空和以前不同了，想象你可以觸摸，可以聞，可以嘗，可以看——然后有一天，你也聽得到了?！?/p>

來自意大利帕多瓦的物理學(xué)家馬爾科·德拉戈（Marco Drago）回憶起2015年9月14日的那個早晨，他在位于德國漢諾威的馬克斯·普朗克研究所（Max Planck Institute）的辦公室里收到那封來自激光干涉引力波天文臺（LIGO）的系統(tǒng)自動提示郵件，或許仍然會感到激動不已。這個被最終確認(rèn)的引力波探測信號為人類持續(xù)了將近100年的對廣義相對論的實驗驗證畫上了句號，而毫無準(zhǔn)備的博士后德拉戈則成為世界上第一個發(fā)現(xiàn)引力波信號的人。雖然工作的方式和意義都有所不同，但也許日后人們會把他同英國物理學(xué)家亞瑟·愛丁頓（Arthur Eddington）聯(lián)系在一起，這兩個人分別為人類實驗檢驗廣義相對論的故事書寫了開頭和結(jié)尾。

另一個故事則剛剛開始。第一次直接探測到了引力波的存在，這為人類的宇宙探測打開了另一扇窗戶。“天空和以前不同了……你也聽得到了。”來自哥倫比亞大學(xué)和LIGO團(tuán)隊的物理學(xué)家索博爾奇·馬爾卡（Szabolcs Márka）這樣描述探測到引力波信號對于人類天文學(xué)研究的意義。可以說，引力波是來自宇宙深處最細(xì)微、也最清晰的聲音，從此以后，引力波天文學(xué)將成為人類天文學(xué)研究的重要組成部分。

廣義相對論的完成

2016年的情形與1919年時已經(jīng)大有不同。當(dāng)年愛丁頓為了驗證廣義相對論關(guān)于光線受到引力場的作用會發(fā)生彎曲的預(yù)測遠(yuǎn)赴西非觀測日食，幾乎可以算作是一個帶有個人英雄主義和國際主義色彩的傳奇故事。在第一次世界大戰(zhàn)剛剛結(jié)束之后，一個英國科學(xué)家不遠(yuǎn)萬里去驗證一個德裔猶太科學(xué)家的理論，而發(fā)回的結(jié)果讓全世界震驚，宇宙在一夜之間改變了面孔。到了21世紀(jì)，人們?nèi)匀辉趯ふ抑炞C廣義相對論最深刻也是最為虛無縹緲的預(yù)言的證據(jù)，但此時在物理學(xué)界幾乎已經(jīng)沒有人懷疑廣義相對論的正確性，這次進(jìn)行探測的儀器是人類工程學(xué)成就的結(jié)晶——激光干涉引力波天文臺。幾十億美元的投資，經(jīng)過數(shù)十年時間的計劃、建造和升級之后，激光在激光干涉引力波天文臺相互垂直的長達(dá)4公里的長臂中被反復(fù)反射，探測時空中不到一個質(zhì)子直徑長度的震蕩變化，有超過1000位遍布世界各地的科學(xué)家為這個天文臺工作，因此最先發(fā)現(xiàn)引力波信號的科學(xué)家并不在探測裝置所在的美國，而是在德國的辦公室電腦前等待系統(tǒng)提交的自動檢測結(jié)果。

這兩個故事的相同之處在于對廣義相對論的兩次實驗驗證都引起了全世界范圍的轟動，無論是否理解相對論，人們都在興致勃勃地談?wù)撝钪妫瑫簳r把目光投向了星空，人們談?wù)撝@個與自己日常生活經(jīng)驗完全不同的宇宙，為自己身在其中而感到迷惑和興奮。一個用幾何語言描述的玄而又玄的物理學(xué)理論，跨越了100年的時間，兩次成為全世界的焦點，改變了人類對宇宙的認(rèn)識，這是愛因斯坦留給人類的遺產(chǎn)，而這份遺產(chǎn)最重要的意義，現(xiàn)在才剛剛開始展現(xiàn)出來。

一件作品被完成之后，在某種意義上就脫離作者而獨立存在，擁有了自身的生命力，廣義相對論就是如此。作為廣義相對論的作者，愛因斯坦對它的意義的理解可能不及其他一些物理學(xué)家深刻，他對由廣義相對論得出的一些結(jié)果并不信服——他一生都不相信黑洞真正存在，在很長一段時間里都認(rèn)為引力波只是不同數(shù)學(xué)形式的變換而已，并不真正存在[直到發(fā)表廣義相對論20年以后，愛因斯坦被美國物理學(xué)家羅伯特遜說服，才開始相信引力波是真實存在的，但他仍然不相信人類有可能真正探測到這種時空中極其微弱的波動。而和愛因斯坦共同工作多年、共同研究廣義相對論的物理學(xué)家納森·羅森（Nathan Rosen）則始終都不相信引力波的真實性]。這樣說來，人類在2015年9月因為13億年以前兩個黑洞的合并，通過激光干涉探測到引力波的存在的直接證據(jù)，具有多重的意義——別忘了，愛因斯坦同樣也是激光理論的奠基人。

盡管在物理學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)幾乎沒有人質(zhì)疑廣義相對論的正確性，但直接探測到引力波信號仍然會讓很多物理學(xué)家暗中松一口氣，畢竟人類宇宙學(xué)的誕生和發(fā)展是建立在廣義相對論的基礎(chǔ)之上的。探測到引力波，是對廣義相對論最嚴(yán)苛的證明，人們現(xiàn)在可以確信，即使是在引力場最強(qiáng)大的黑洞附近，時空的幾何特性仍然遵守愛因斯坦由黎曼幾何推導(dǎo)出的廣義相對論的約束，人類探索宇宙的理論工具依然正確。至此，100年來人類通過廣義相對論對宇宙的特性做出的預(yù)測全部通過了驗證，可以說，廣義相對論是人類文明最偉大的財富。

探測到引力波的意義遠(yuǎn)不止于驗證廣義相對論，這個發(fā)現(xiàn)本身就算得上是人類對于自身工程學(xué)成果的一次檢驗和慶祝。在地球上發(fā)現(xiàn)時空相當(dāng)于不到一個質(zhì)子直徑長度的變化，這樣的探測精度在愛因斯坦看來是遙不可及的，卻在幾十年后成為現(xiàn)實。位于美國路易斯安那州和華盛頓州的兩個LIGO探測器，可以“聽到”岸邊海浪對海岸的每一次敲打，飛機(jī)在上空飛過時發(fā)出的擾動，樹林里樹木倒下時產(chǎn)生的震動，甚至是洗衣機(jī)在附近工作時產(chǎn)生的震動，最終“聽到”了13億年前兩個黑洞碰撞的“聲音”。這兩個探測器是人類聆聽宇宙的耳朵，而且在不遠(yuǎn)的將來，越來越多這樣的耳朵將會出現(xiàn)在地球的地面、地下和太空中。

因為包括電磁波在內(nèi)的一切物質(zhì)都無法逃出黑洞的引力場，人們永遠(yuǎn)都沒法“看到”黑洞的存在，此前人類關(guān)于黑洞的一切證據(jù)都只是間接證據(jù)，天文學(xué)家可以觀測到黑洞周圍被它的引力場所加熱的氣體，也可以觀察與黑洞相互環(huán)繞運轉(zhuǎn)的恒星來推測黑洞的存在。如果沒法“看到”，或許可以“聽到”，引力波是人類目前對黑洞進(jìn)行直接探測的唯一方法，科學(xué)家們喜歡把引力波和聲波進(jìn)行類比，利用先進(jìn)激光干涉引力波天文臺（aLIGO）人類聽到了黑洞碰撞合并時發(fā)出的聲音。aLIGO探測到的兩個黑洞相撞發(fā)射引力波頻率，恰好在人類聽覺的頻率范圍以內(nèi)，因此物理學(xué)家們可以直接把引力波探測信號轉(zhuǎn)化為聲音信號，這樣人們對于引力波就可以有更直觀的感受。

引力波所攜帶的不光有能量，還有關(guān)于它們產(chǎn)生過程的信息?？傎|(zhì)量相當(dāng)于60多個太陽質(zhì)量的兩個黑洞的碰撞，聲音并不顯得沉重而古老，聽起來反而像是一聲鳥鳴，與科學(xué)家們此前利用計算機(jī)模擬的結(jié)果完全相同。同樣是劇烈的宇宙現(xiàn)象，超新星爆發(fā)所產(chǎn)生的引力波與兩個黑洞合并所產(chǎn)生出的引力波就會截然不同，物理學(xué)家們模擬出的黑洞碰撞合并的“聲音”與中子星碰撞合并發(fā)出的“聲音”有些類似又區(qū)別分明，人們可以輕易地聽出兩者的區(qū)別，宇宙間最神秘的現(xiàn)象聽起來變得平易近人。

通過aLIGO探測到的黑洞碰撞引力波信號，不僅是人類第一次真正探測到了黑洞，終于直接證實了這種天體的真實存在，還具有更重要的天文學(xué)意義。這種質(zhì)量級別的黑洞比較難于發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)這類黑洞的周圍有顆明亮的恒星圍繞它運轉(zhuǎn)時才有可能被人注意到，而且這次觀測到的更是一種非常罕見的雙黑洞系統(tǒng)，這種雙黑洞系統(tǒng)在宇宙中是否真正存在，此前一直是天文學(xué)家們爭論的課題之一。麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家馬修·埃文斯（Matt Evans）評論說，不知道要多久以后人類才能再次觀測到這種罕見的雙黑洞系統(tǒng)。

這個罕見的雙黑洞系統(tǒng)有可能是幾十億年前由兩個質(zhì)量大約為太陽100倍的恒星塌縮形成的，彼此相互環(huán)繞運行，距離逐漸接近，運動的速度也逐漸加快，并且釋放出越來越強(qiáng)烈的引力波。在兩個黑洞相撞的過程中，彼此運動的速度已經(jīng)達(dá)到了光速的一半，在不到一秒鐘的時間里，通過引力波釋放出的能量超過了整個宇宙中所有星光的能量，這是廣義相對論在宇宙中最極端的條件下進(jìn)行的展示。

除了這次歷史性的引力波探測，還有一些令人難以理解的信號隨之而來。美國航空航天局（NASA）的費米伽瑪射線望遠(yuǎn)鏡（Fermi Gamma-Ray Space Telescope）在aLIGO探測到引力波信號之后的0.4秒，就發(fā)現(xiàn)了一次強(qiáng)烈的伽瑪射線爆發(fā)。盡管目前人們還不知道這兩者之間是否有聯(lián)系，但是根據(jù)科學(xué)家的計算這兩者純屬巧合的概率僅為0.22%。在理論上，目前天文學(xué)家還很難理解兩個黑洞的合并為什么還會伴隨著強(qiáng)烈的伽瑪射線爆發(fā)，只能就此進(jìn)行各種猜測。哈佛大學(xué)的物理學(xué)家艾維·洛布（Avi Loeb）提出了一個驚人的假設(shè)，他認(rèn)為這兩個相撞的黑洞有可能是在一個超級巨大的恒星內(nèi)部，因此它們的碰撞隨即引發(fā)了這個超級恒星的伽瑪射線爆發(fā)。

引力波天文學(xué)

LIGO最早的建造者之一、加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家基普·索恩（Kip Thorne）認(rèn)為，首先發(fā)現(xiàn)引力波并不是LIGO的首要任務(wù)。在取得了突破性成就之后，aLIGO團(tuán)隊開始把a(bǔ)LIGO轉(zhuǎn)換為一個常用的引力波探測設(shè)備，當(dāng)引力波探測成為常態(tài)之后，就會開啟天文學(xué)研究的另一扇窗——引力波天文學(xué)。

在20世紀(jì)90年代，幾位引力波探測的先行者試圖申請美國自然科學(xué)基金撥款，建造激光干涉引力波天文臺時，最主要的反對聲就來自于天文學(xué)家。當(dāng)時的天文學(xué)家們認(rèn)為建造這樣耗資巨大的探測裝置對于天文學(xué)研究毫無用處，但現(xiàn)代的天文學(xué)家們已經(jīng)開始暢想引力波天文學(xué)的廣闊前景。利用引力波，天文學(xué)家們可以為許多懸而未決的天文學(xué)問題寫出答案，而更令人激動的則是此時人們甚至還沒有預(yù)料到的突破。

引力波與電磁波有著本質(zhì)的不同，這使此前主要通過電磁波觀測宇宙的天文學(xué)家們多出了一個截然不同的宇宙觀測方法，因此有人把發(fā)現(xiàn)引力波的意義同伽利略第一次利用自己磨制的望遠(yuǎn)鏡觀察天空相提并論。人類多出了一種探測宇宙的新方法，對于同一個天文事件，天文學(xué)家就可以通過電磁波、中微子和引力波等不同的手段進(jìn)行比較觀測，當(dāng)引力波天文臺探測到一個信號之后，可以馬上提醒其他類型的天文望遠(yuǎn)鏡對一個特定區(qū)域進(jìn)行觀測并進(jìn)行比較。

除此之外，相比于電磁波，利用引力波進(jìn)行天文學(xué)探測有著獨特的優(yōu)勢。每一個原子都可以發(fā)射和吸收電磁波，因此一些劇烈的宇宙現(xiàn)象所發(fā)出的電磁波很容易在到達(dá)地球的途中被吸收或是被干擾、散射，這使得在地球上的天文學(xué)家無法確定信號的來源，更無從得知這些電磁信號的本來面目。另外，通過電磁波，天文學(xué)家只能研究一些天體表面的信息，其內(nèi)部的電磁信號則很難突破天體的表面?zhèn)鞑コ鰜?。此前天文學(xué)家只能通過收集到的極少的中微子信號對各種天體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和變化進(jìn)行推測，引力波天文學(xué)則可以獨辟蹊徑。

引力波通過時空本身傳播，幾乎不會受到干擾，也幾乎不會被宇宙中的物質(zhì)所吸收，因此天文學(xué)家們更容易通過引力波信號來確定發(fā)射引力波源頭的確切位置。另外，如同一件樂器的各個位置都要振動形成共振才能發(fā)出和諧的聲音，人們可以通過引力波所攜帶的信息來研究發(fā)射出引力波的天體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化過程，這是目前人類詳細(xì)了解天體內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的唯一手段，而把探測結(jié)果與理論預(yù)測的結(jié)果相比較，則又是驗證各種物理學(xué)假設(shè)、促進(jìn)理論進(jìn)步的動力。

盡管距離真正開始引力波天文學(xué)研究，天文學(xué)家們可能還需要幾十年、甚至上百年的努力，此時我們可以先想象利用引力波可能解決的難題。目前宇宙學(xué)最為深刻的問題莫過于暗物質(zhì)和暗能量的真實身份，暗能量是宇宙加速膨脹的動力，除此之外人們對它的性質(zhì)還一無所知。精密的引力波探測與其他探測手段相結(jié)合或許可以讓天文學(xué)家們理解宇宙在不同時期膨脹的不同速度，掌握暗能量推動宇宙加速膨脹的歷史和細(xì)節(jié)，最終理解它的真實身份；而暗物質(zhì)除了引力作用之外，幾乎不與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用，如果可以探測到來自暗物質(zhì)的引力波，人們將有可能對暗物質(zhì)的結(jié)合方式和運動方式都有精確的理解，這將是理解暗物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)鍵。

暗能量與暗物質(zhì)研究之外，宇宙學(xué)研究中最重要的一個假說——宇宙暴漲，也需要利用引力波探測給出驗證。1980年，當(dāng)時在斯坦福大學(xué)工作的理論物理學(xué)家阿蘭·古斯（Alan Guth）首先提出了宇宙暴漲假說，他認(rèn)為宇宙在發(fā)生大爆炸之后的極早期，在極短的時間內(nèi)發(fā)生了一次暴漲，從量子態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楹暧^狀態(tài)，這個假說可以解釋很多天文學(xué)家觀測到的宇宙現(xiàn)象，但是始終沒有確切的實驗證據(jù)對其進(jìn)行證實。“嬰兒時期”的宇宙處于一種混沌狀態(tài)，光子不停地被物質(zhì)釋放和吸收，宇宙中沒有自由光子，并不透明，因此利用電磁波對宇宙進(jìn)行觀察，最早只能觀察到宇宙誕生38萬年之后，空間里存在了自由光子之后的歷史。而在此之前，如果宇宙真的曾經(jīng)經(jīng)歷過一次暴漲，那么這次暴漲將會產(chǎn)生出“原初引力波”，利用更精密的儀器有可能探測到原初引力波的痕跡，如果成功，將是對宇宙暴漲假說決定性的證明。

在宇宙的嬰兒時期雖然光線混沌，產(chǎn)生出的引力波卻可能是清晰的，早期引力波的痕跡可能至今仍然在時空中存在，這也就給了天文學(xué)家們離開各種假設(shè)和模型，通過原初引力波探索宇宙通過大爆炸誕生之后的真實情形的可能。在宇宙誕生初期，目前人類發(fā)現(xiàn)的自然界中四種相互作用——強(qiáng)相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和引力相互作用可能還沒有分開，四種相互作用在極端的條件下有可能仍然處于統(tǒng)一的狀態(tài)，因此，研究早期的宇宙狀態(tài)也為物理學(xué)家最終完成大統(tǒng)一理論提供了可能。

除了一些大問題之外，一些相對微妙細(xì)致的問題同樣吸引著物理學(xué)家。類似于電磁波通過光子傳播，有理論假設(shè)引力通過一種質(zhì)量為0、自旋為2的“引力子”傳播，這種粒子至今還沒有被發(fā)現(xiàn)。那么引力子是否真實存在，它的質(zhì)量是否為0？對于同一個天文事件，如果科學(xué)家們觀測到了它所發(fā)射出的引力波與電磁波，并且比較它們到達(dá)地球的時間，就可以確定引力波是否真正以光速傳播（類似于中微子，如果引力子具有極其微小的質(zhì)量，那么引力則可能是以非常接近光速的速度傳播）。

由恒星引力塌縮形成的中子星在理論上應(yīng)該是完美的圓球形狀，但也有一種理論認(rèn)為中子星的表面可能有幾厘米高的突起，對于這樣的理論沖突，通過對中子星發(fā)射的引力波進(jìn)行分析也可以給出確切的解答。兩顆中子星相互碰撞會有怎樣的結(jié)果，恒星如何爆發(fā)，如何塌縮，爆發(fā)時內(nèi)部結(jié)構(gòu)會有怎樣的改變？一些劇烈的天文事件的細(xì)節(jié)也將通過對它們發(fā)射出的引力波的分析而越來越清晰?！昂诙礋o毛理論”（No-Hair Theorem）認(rèn)為，黑洞沒有任何的外部結(jié)構(gòu)，一個黑洞的性質(zhì)完全取決于它的質(zhì)量和自旋，對于黑洞的引力波探測也將是驗證這個理論的好機(jī)會。

科學(xué)家們通過引力波信號的震蕩幅度和頻率來判斷進(jìn)行碰撞的黑洞的質(zhì)量，而通過黑洞碰撞的實際強(qiáng)度和傳播到地球的引力波強(qiáng)度，又可以判斷它與地球的距離。在1998年，三位天文學(xué)家利用Ia型超新星作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”（Standard Candle），測量宇宙中天體的距離，得出宇宙正在加速膨脹的結(jié)論，由此發(fā)現(xiàn)暗能量，獲得了2011年諾貝爾物理學(xué)獎。實際上，在天文學(xué)研究中利用標(biāo)準(zhǔn)燭光測距的誤差仍然較大，在十幾年前就有天文學(xué)家提出可以利用一類引力波看作是“標(biāo)準(zhǔn)警報”（Standard Siren）以測量宇宙中的距離，相比于“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，“標(biāo)準(zhǔn)警報”的精度將會大大提高。物理學(xué)家洛布認(rèn)為，在未來人類如果可以收集到數(shù)十個黑洞碰撞的引力波數(shù)據(jù)，一種新的天文學(xué)測距方法就將出現(xiàn)。

更多更加靈敏的引力波探測器可以更精確地定位發(fā)生事件的位置，讓天文學(xué)家了解去哪里尋找同一個天文事件產(chǎn)生出的電磁波和中微子，也可以讓天文學(xué)家了解發(fā)生黑洞碰撞合并時間的頻率。到2016年7月重新開啟引力波探測時，aLIGO的靈敏度將比目前高出30%～40%，而在未來的5年里，它的靈敏度還將不斷提高，可以預(yù)計aLIGO會探測到越來越多的各種來源的引力波信號。而在LIGO公布發(fā)現(xiàn)引力波信號的同一周，印度政府也批準(zhǔn)了在印度建設(shè)第三個LIGO（LIGO-India）的計劃，這個新的引力波探測天文臺將在2023年投入使用。同時，位于意大利的臂長3公里的VIRGO引力波探測器也會加入到地球上的引力波探測網(wǎng)絡(luò)。不只是在地面上，日本東京大學(xué)宇宙射線研究所已經(jīng)開始在神岡的地下隧道中建設(shè)神岡引力波探測器（Kamioka Gravitational Wave Detector），它也采取了類似于LIGO的兩個3公里垂直長臂結(jié)構(gòu)，預(yù)計將在2018年投入使用。地球上引力波探測裝置將越來越多，在未來，人類將可以在地球上越來越精確地定位這些劇烈的天文事件發(fā)生的位置。

eLISA的未來

天文學(xué)研究最重大的突破往往是源于更先進(jìn)的探測手段，如果能夠利用更先進(jìn)的設(shè)備，對不同來源的引力波進(jìn)行分類探測和研究，將使人類的天文學(xué)研究向前跨越一大步。eLISA或許代表了人類引力波天文學(xué)研究的未來。eLISA是歐洲空間局（ESA）的演化激光干涉空間天線（evolved Laser Interferometer Space Antenna）的簡稱，與aLIGO的區(qū)別在于，eLISA的重點在于探索不同來源的引力波，以及與其相關(guān)的一些更為基礎(chǔ)和深刻的天文學(xué)問題。

在21世紀(jì)第一個十年，ESA與NASA合作進(jìn)行LISA引力波探測計劃，在2011年NASA因為資金問題退出了合作，ESA在2013年將LISA計劃升級為eLISA計劃。在這個宏偉的太空探測計劃中，三個人造衛(wèi)星將在太空中形成一個三角形進(jìn)行引力波探測，而這個巨大的太空探測器的懸臂將達(dá)到500萬公里長，這個規(guī)模的探測器將足以探測到宇宙中最古老的黑洞發(fā)射出的引力波。這些黑洞形成于宇宙的早期，在經(jīng)歷了上百億年的發(fā)展之后成為超巨型黑洞，它們目前大多居于各個星系的中心，利用自身引力成為維系住整個星系的核心，也是宇宙中最深刻、最秘密的核心。

這樣一個宏偉的引力波探測計劃需要做足前期準(zhǔn)備。2015年12月3日，ESA在位于南美庫魯?shù)姆▽俟鐏喣翘罩行模℅uiana Space Centre）發(fā)射了一個特殊的宇宙飛船——LISA探路者（LISA Pathfinder），這被稱作是有史以來最安靜的宇宙飛船，因為就連飛船本身也是進(jìn)行科學(xué)實驗的一部分，需要盡可能地減少外部震動。LISA探路者是eLISA計劃的先行者，為預(yù)計大約在20年后發(fā)射升空的eLISA做準(zhǔn)備。

LISA探路者的實驗任務(wù)是把兩個金鉑合金材料制成的邊長為46毫米的立方體放置在宇宙空間中懸浮，彼此相隔38厘米。在太空中，震動產(chǎn)生的干擾微乎其微，這個任務(wù)將以前所未有的萬億分之一米的精度探測兩個只受到引力作用的合金立方體的相互距離，這是人類目前為止創(chuàng)造出的最為安靜的實驗環(huán)境，這個花費了4.3億歐元的實驗項目尚且只是為宏偉的eLISA太空引力波探測計劃做前期準(zhǔn)備。

經(jīng)過6個星期的太空航行之后，LISA探路者到達(dá)了目的地，在距離地球150萬公里之外的一個被稱為“L1點”的虛擬位置附近運動。進(jìn)入太空之后，實驗最為精致的操作部分就是要把這兩個金鉑合金立方體釋放出來，讓它們懸浮在空中。首先，固定每個立方體的8個機(jī)械手指松開，每個立方體只由兩個支桿固定。在2016年2月15日和16日兩天里，固定立方體的支桿也先后撤離，飛行器內(nèi)的兩個合金金屬塊被分別釋放，在空間中以激光聯(lián)系，它們處于一種在地球上完全無法達(dá)到的穩(wěn)定實驗環(huán)境中。實驗對這兩個立方體之間的距離要求非常精確，它們的位置有可能受到外界的微小干擾而稍有變動，就連光線照射在上面都可能造成影響。在自由懸浮的狀態(tài)下，地球上的科學(xué)家利用靜電力繼續(xù)細(xì)微地調(diào)整兩個立方體的位置和朝向。直到2月22日，這兩個立方體才開始完全獨立漂浮，不再受到任何干擾。

2016年2月23日開始，LISA探路者正式進(jìn)入實驗階段，科學(xué)家開始利用激光探測這兩個立方體能夠以怎樣的精度保持相對的位置。在經(jīng)過最終的檢測之后，從2016年3月初開始，它將進(jìn)行一項為時6個月的科學(xué)實驗。LISA探路者的項目科學(xué)家保羅·麥克納馬拉（Paul McNamara）評價說，這是一個歷史性的時刻，這是有史以來人類進(jìn)行的最為精確的自由落體實驗。

在這個試探性的LISA探路者實驗項目中，運用的技術(shù)與計劃中的eLISA項目完全相同?？梢哉f，LISA探路者是只有一個38厘米長探測臂的引力波探測器，如果這個項目可以通過測試，那么在20年后發(fā)射的eLISA將會使用同樣的技術(shù)，利用雙探測臂進(jìn)行引力波探測，只是處于同樣實驗環(huán)境中的探測臂長度將會達(dá)到500萬公里。

aLIGO以及地球上其他的一些引力波探測器主要用于探測高頻引力波。在理論上，宇宙中質(zhì)量為太陽幾倍到幾十倍的黑洞或是中子星的合并會發(fā)射出在這個頻率范圍之內(nèi)的引力波，而eLISA將主要用于探測低頻率（大約為0.001赫茲）范圍的引力波，只有非常巨大，行動緩慢的天體，例如星系中心的超巨型黑洞會發(fā)射出這個頻率的引力波。當(dāng)兩個星系合并，星系中心的超巨型黑洞在合并過程中也會發(fā)射出低頻引力波，人類有可能通過eLISA觀測到這個過程。

當(dāng)太空引力波探測計劃開啟之后，eLISA將會首先探測一些人類已知最近的、最明亮的致密雙星系統(tǒng)，正是因為人類對于這類天體的位置和軌道周期都已經(jīng)有所了解，它們將作為用于檢驗eLISA精度的標(biāo)準(zhǔn)。天文學(xué)家們估計，eLISA將可以探測到數(shù)以千計的雙星系統(tǒng)。天文學(xué)家可以了解銀河系以內(nèi)的雙星系統(tǒng)的運動狀況和分布情況，從而對銀河系的結(jié)構(gòu)有更深刻的理解，也將可以確定其中一部分雙星系統(tǒng)與地球的距離，質(zhì)量和軌道周期，這都是制作一份銀河系的詳細(xì)地圖所必不可少的信息，屆時也將會探測到銀河系中白矮星和中子星等各種致密天體發(fā)射出的引力波。

超巨型黑洞的形成過程一直是天文學(xué)家們關(guān)心的課題之一。天文學(xué)家們認(rèn)為有一些超巨型黑洞可能是通過積累逐漸成長，但大多數(shù)的超巨型黑洞則是通過相互合并而成。當(dāng)兩個星系合并，兩個星系中央的黑洞會逐漸匯集到一起形成新的星系中心，兩個黑洞會首先形成一個雙黑洞系統(tǒng)，互相圍繞運轉(zhuǎn)，逐漸接近，運動速度逐漸加快，最終合并，并且釋放出宇宙中最響亮的引力波。進(jìn)入工作狀態(tài)之后，eLISA有可能每年都能探測到超巨型黑洞碰撞合并發(fā)出的引力波信號。通過分析黑洞合并發(fā)射的引力波信號，人類將可以了解到超巨型黑洞的發(fā)展與合并歷史，這也是理解整個星系形成和演化歷史的重要一步。有天文學(xué)研究的證據(jù)顯示，星系成長與星系中心黑洞的成長具有一致性，星系中心黑洞的質(zhì)量與圍繞著星系中心黑洞的天體的質(zhì)量和運動速度相關(guān)。天文學(xué)家們一直在研究這兩者之間的關(guān)系，但是至今仍然不清晰，通過eLISA也有可能探測出從黑洞成長為超巨型黑洞的質(zhì)量范圍，宇宙中不同質(zhì)量黑洞的分布情況，尤其是黑洞的質(zhì)量上限，這對于人類建立星系演化的模型至關(guān)重要。

是什么推動了宇宙大爆炸？在黑洞中時空有怎樣的性質(zhì)？黑洞合并，黑洞吞噬中子星的具體過程是怎樣的？兩個巨型黑洞在真空中以接近光速的速度劇烈碰撞合并的過程，是否依然遵守廣義相對論？研究雙星系統(tǒng)，宇宙大爆炸可能留下的遺跡，并且進(jìn)一步對廣義相對論進(jìn)行更加嚴(yán)格的測試，天文家們對于eLISA的低頻率引力波探測寄予厚望，希望可以從中找到無數(shù)個天文學(xué)問題的答案，推測出宇宙整體結(jié)構(gòu)和演化的歷史，對物理學(xué)有更深的理解。而引力波天文學(xué)最令人著迷的，則是人類想象尚未到達(dá)的那些未知的部分，不知eLISA的探測，引力波天文學(xué)的未來將會帶給人類怎樣的驚喜。

一個理論的完成，一個新學(xué)科的出現(xiàn)，一個嶄新的未來，都難免讓人們心情激動并且充滿想象。雖然一切才剛剛開始，但是在仰望星空時，我們多出了一個理由對未來充滿信心，這或許就是引力波探測對于人類最大的貢獻(xiàn)。

（本文寫作參考了《科學(xué)》、《自然》和《物理評論快報》雜志，以及加州理工學(xué)院網(wǎng)站和歐洲空間局網(wǎng)站的報道）