錫拉丘茲大學物理學家彼得·索爾森（Peter Saulson）的一月電子郵件使我措手不及。自從我寫信以來，我已經期待這一消息已有16年了，這可能不應該愛因斯坦未完成的交響曲。這本書記錄了天體物理社區最尖端的初創企業：重力浪潮天文學。
索爾森的信息意味著愛因斯坦的交響曲不再“未完成”。從未直接檢測到引力波（重力波（重力波），這是由愛因斯坦的一般相對性方程引起的歷史預測。但是現在，由於兩個碰撞的黑洞，那項未完成的任務終於完成了在數十年的血液，汗水和無可估量的挫敗感之後。花了很長時間才能使重力波檢測器起作用。不僅如此，這一發現的宣布是在愛因斯坦（Einstein）撰寫了他的第一篇有關重力浪潮的論文之後的幾乎100年。索爾森說：“好像那些黑洞在等那一刻。”
在發表的論文中皇家普魯士科學院論文集在1916年和1918年，愛因斯坦（Einstein引力波當群眾四處移動時，也必須產生。
但是這些波浪不會像光線一樣穿過太空。它們實際上是時空非常框架的地震。可檢測到的隆隆聲來自宇宙所提供的最暴力事件，例如大約13億年前，在一個命運的擁抱中融合了兩個巨大的黑洞（由兩個重力波觀測值記錄）的兇猛遭遇。在黑洞衝突的衝突中，波浪交替伸展和擠壓空間，將一名6英尺的男人伸到12英尺，在毫秒內，將他擠到了3英尺的位置，然後再次將他伸出。
愛因斯坦從來沒有想像過這樣的浪潮。鑑於宇宙在1910年代所假定的相對安靜的本性，他描繪的是兩顆恆星互相奔波的浪潮蕩漾。而且他和其他人知道那些時空的漣漪會很虛弱，當然太虛弱了，無法打擾它們。其他人想知道他的引力波根本不存在，而只是相對論數學的虛構文物。多年來，一般相對主義者在這個問題上來回爭論。
希望和失望
但是，僵局在1950年代後期發生了變化，當時馬里蘭州的一位年輕大學物理學家約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）決定建立一個重力波檢測器來解決這個問題。實驗相對性目前正在復興，當時的美國一般相對論院長的普林斯頓物理學家約翰·阿奇博爾德·惠勒（John Archibald Wheeler）鼓勵韋伯（Weber）尋找實際波浪。
對於他的設計，韋伯（Weber）包圍了一個堅固的熱水器大小的鋁製圓柱體 - 帶有傳感器的鋼筋，認為傳球會導致條形像鈴鐺一樣產生共鳴。傳感器將振盪轉換為在紙張圖錄音機上註冊的電信號。他認為，需要兩個距離數百英里的探測器排除當地聲音。 1969年，韋伯（Weber）在辛辛那提（Cincinnati）的一次相對會議上宣布，他同時在兩個酒吧上錄製了一個信號，一個是位於馬里蘭州校園，另一個位於芝加哥附近的阿爾貢國家實驗室。 Conderees在掌聲中向他的宣布打招呼（
）。受歡迎的媒體預示著他的發現是半個世紀以來物理學中最重要的事件。 “毫無疑問，許多外行會感到震驚。”
紐約時報
。一年後，韋伯宣布信號是從銀河系中心散發出來的，這可能是從一個超新星掉下來的，也許是從脈衝星（Pulsars）散發出來的。
很快，其他物理小組就建立了自己的探測器。但是他們沒有發現任何波浪。但是他們沒有放棄。到1980年代，各個國家的團隊已經建立了更大的鋼筋探測器，以提高靈敏度。他們調整了設計，將探測器包圍在超冷液中以減少熱噪聲。但是，再次沒有記錄信號。儘管韋伯仍被認為是啟動該領域的，但缺乏驗證卻損害了他的聲譽，儘管他堅持直到2000年去世，他的探測器一直在錄製浪潮。如今，物理學家將索賠放在了噪音上，並相信韋伯不完全理解酒吧內發出的自然聲音。
但是，在條形技術成熟的同時，一種新的重力波檢測策略浮出水面 - 一種稱為激光干涉測量法。蘇聯的兩名研究人員Mikhail Gertsenshtein和Vi Pustovoit於1962年首次發表了這一想法，但他們國家以外的人沒有意識到這一點。韋伯也簡短地想到了這項技術，但從未出版過。 1966年，麻省理工學院的Rainer Weiss也以另一種方式提出了該計劃。
彈跳激光器
當被要求教授一門關於一般相對論的課程，魏斯（Weiss）從事實驗學家而不是理論家的重力工作。他在1999年說：“我不能承認我不知道。我只是一個練習。想像一下，他告訴他的學生，三個群眾懸掛在地面上方，其方向形成了L形。隨著重力波的經過，這些質量之間的距離將如何變化？他知道，重力波在一個方向上壓縮空間（例如，北方），同時將其擴展在另一個方向（東西方）。一毫秒後，隨著波浪的過去，效果會逆轉。當魏斯為自己制定解決方案時，他知道自己有一個好的實驗。在質量之間不斷彈跳激光束，使梁最終重新組合（光學上“干擾”彼此），以測量重力波移動，並且您有一個檢測器！而且它比酒吧有一個很大的優勢。雖然酒吧只能調整為一個頻率，但激光干涉儀可以註冊更廣泛的頻率，從而增加了檢測源的機會。
到1972年，魏斯已經為麻省理工學院的電子研究實驗室撰寫了具有里程碑意義的報告，該研究實驗室確定了所有可以掩蓋這種設置中信號的基本噪聲來源。重力浪潮研究人員今天仍會諮詢該論文。從那時起，魏斯將他的職業生涯的很大一部分致力於建造激光干涉儀，並找到減少這些噪音的手段。有額外的動力：1974年，射電天文學家約瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）和羅素·赫爾斯（Russell Hulse），然後在馬薩諸塞大學阿默斯特大學找到了一個旋轉著密集的伴侶的中子星星，這兩個每年都會靠近約幾米，而距離物理學家的變化預計，如果二進制對隨著重力波的損失，則距離物理學家的變化預計。儘管證據是間接的（並且海浪本身太弱而無法衡量），但它極大地鼓勵了將可用的重力浪潮天文學界。
基普·索恩（Kip Thorne）（右）在1999年的演講中將重力波的草圖繪製在大爆炸中。
到1980年代，Weiss與加州理工學家Kip Thorne聯手，這是世界上最高的重力浪潮物理學專家，而蘇格蘭的實驗主義者Ronald Drever也在加州理工學院（Caltech）越過了構建的小型實驗室原型，並架設了兩個具有長長臂的實驗室原型。幾乎同時在一對探測器上的同時接收會在地理位置上與眾不同，將驗證以光速通過的波浪。增加武器中激光光的路徑會放大探測器的靈敏度。天體物理來源（例如超新星爆炸或黑洞碰撞）會在事件附近致命的時空產生漣漪，但是到那些波浪到達地球時，它們會扭動小於質子寬度的干涉儀質量。要測量這種微妙的運動，需要長的臂。
這項大膽提案（後來被稱為激光干涉儀重力波動台）的可行性研究於1983年完成。該報告最終確信國家科學基金會（特別是NSF管理員Marcel Bardon和Richard Isaacson），抓住了機會。但是Ligo估計的建築成本（增至近3億美元）如此之高，以至於NSF首次必須去國會獲得批准。當天文學家和物理學家聽說該提案時，一些人變得非常發聲，激怒了NSF建議在賭博上使用寶貴的資金，而不是一項久經考驗的技術。結果，Ligo提案經歷了無數的跌宕起伏，幾乎被取消了一次（SN：6/26/93，p。 408;SN：1/8/00，p。 26）。
1992年，當時的加州理工學院物理學家羅丘斯·沃格特（Rochus Vogt）當時是一個至關重要的轉折點，當時的Ligo董事Rochus Vogt與路易斯安那州參議員J. Bennett Johnston進行了一次會議，後者後來成為該項目的熱心支持者。沃格特最初只有20分鐘，但他的《宇宙學故事》如此吸引人約翰斯頓，以至於參議員取消了他的接下來的三個任命。在幾個小時的時間裡，兩人擠在參議員的咖啡桌上，而沃格特則畫了彎曲的時空圖片。愛因斯坦的名字再次起作用。國會最終授權資金建造兩個探測器，每個探測器都有4公里長的武器。一個位於路易斯安那州利文斯頓，另外1,900英里距華盛頓州漢福德的西北。
1994年那些第一代探測器的地面被打破。到2001年，兩者都啟動和運行。主要是試用找到重力波所需的新技術，這是第一個Ligo，預計不會註冊任何波。但這仍然做了工作。 Ligo合作者從每個探測器的性能中學到的東西都進入了創新儀器的設計，該儀器在過去五年中逐漸安裝。此升級，稱為高級ligo，導致越來越敏感性，賓果遊戲在去年秋天開始運行後立即發現了重力波。
全球的樂器已經在加入Ligo的任務。自2007年以來，由歐洲合作經營的一個類似於Ligo的探測器，由歐洲合作運作，在意大利皮薩以外的廣闊沖積平原上運行。較小的干涉儀名為GEO600，有600米長的武器在德國運作。其他探測器正在建設中在日本併計劃對於印度。
全球任務
重力波探測器在美國，德國和意大利正在運行，在印度和日本，還有兩個正在進行中。研究人員期望擴大網絡，以提高檢測信心和來源定位精度。
但是，地球上的激光干涉儀在它們可以註冊的頻率上受到限制（大約10到幾千赫茲），這是光望遠鏡看不到無線電波或X射線的方式。為了擴展該範圍，因此可以檢測到來自各種來源的重力波事件，重力波天文學家也正在採用其他方法。一個聰明的方案是基於研究良好的天文物體 - 脈衝星，這是宇宙中最精美的鐘錶，這是由於快速旋轉的中子星（快速旋轉的中子星）發出的嗶嗶聲的不變節奏（SN：10/17/15，p。 24）。通過密切監視從天空周圍的一系列特別快速的脈衝陣列到達的脈衝，天文學家正在查找由於極低的重力波，脈衝略有變化（10-9到10-6赫茲）在脈衝星和地球探測器之間穿過。當它們在合併星系的中心慢慢繞軌道時，超級質量黑洞二進製文件將散發出這些巨大的波浪。最終，研究人員希望將激光干涉儀送入太空。歐洲航天局正在研究一項名為“進化激光干涉儀太空天線”的提案（SN在線：15/15），這將能夠檢測較弱的重力波。
新的天文學
世界目睹的是新天文學的誕生。在遙遠的宇宙中，發現這兩個黑洞的漣漪就像伽利略在1609年通過望遠鏡第一次窺視天堂。伽利略發現了越野的月亮木星和鋸齒狀的木星，鋸齒狀的山脈和月球上的山口，令人驚嘆的奇蹟到17世紀的眼睛。現在，Gravity Wave天文學有望提供自己的根本新的願景。
電磁波，無論是可見的光，無線電，紅外還是X射線，都會由單個原子和電子釋放。這樣的輻射揭示了天體的物理狀況 - 它的熱量，它的年齡，外觀和構成的狀態。重力波傳達了很多不同的信息。他們將講述大量物體的總體運動，表明它們如何移動，旋轉和碰撞在整個宇宙中，尤其是對於太小而無法直接看到的物體，例如中子恆星和恆星黑洞。
索恩說：“我們現在已經開始了一個探索宇宙現象的時代。” “我喜歡稱其為扭曲的宇宙一側。”在適當的時候，這種觀察的新方法可能能夠通過收集大爆炸本身的令人敬畏的時空震動發出的殘留重力波來記錄第一納秒創造的殘余隆隆聲。
經過四個多的動盪，魏斯終於看到了他的實驗夢想成真。他曾經絕望嗎？ “不，”他今天毫不猶豫地說。 “您不必擔心最終結果的原因是：問題很有趣，您喜歡與之合作的人，這很有趣！”曾經是現年83歲的實驗者魏斯（Weiss）繼續前往觀察者，捲起袖子並檢查設備。
他在1970年代與幾個同事和學生一起研究了最初的想法。如今，有1,000多人參與其中 - 大學和全球大學的Ligo/Pirgo合作者都在推進理論和技術。
當時的NSF董事麗塔·科威爾（Rita Colwell）在Ligo的路易斯安那州天文台的奉獻精神中，當時的NSF主任麗塔·科威爾（Rita Colwell）指出，那些聚集的人“在現代galleon的象徵性弓上打破一瓶香檳，這可能使我們比以往任何時候都更遠。”通過他們的第一個信號，一個漸強的漸進式，當轉換為音頻的貝斯開始時，Ligo科學家開始了他們的旅程，現在能夠聆聽等待發現的無數事件。
考慮到這一點，我收回了本文開放時所說的話。愛因斯坦的交響曲將永遠不會完成。
Marcia Bartusiak是麻省理工學院的科學寫作教授，也是六本關於天體物理學和天文學歷史的書籍的作者。
