根據《天體物理學雜誌快報》（The Astrophysical Journal Letters）刊載的一項新研究［1］，天文學家有了重磅發現，第一次探測到了黑洞和中子星的碰撞所釋放出的引力波，最遠來自於10億光年之外，再一次證明了愛因斯坦百年前的預言。
那麼，引力波是什麼？愛因斯坦又是如何預言的？這次的最新發現又有什麼特別之處？
牛頓的萬有引力定律告訴我們，只要物體有質量，它們之間就會產生引力作用。但牛頓沒有解釋引力是如何產生的，引力的作用速度有多快。雖然萬有引力定律可以預言海王星的存在，但卻無法說明水星軌道的近日點進動問題，這意味著該理論一定不是完美的。
在牛頓之後，愛因斯坦在1915年創立了廣義相對論，從完全不同的角度來解釋引力。愛因斯坦認為，有質量的物體會把原來平坦的空間壓彎，在彎曲空間中，物體之間有相互靠近的趨勢，從而表現出引力效應。
萬有引力定律能解釋的引力現象，廣義相對論也都能解釋，而萬有引力定律無能為力時，廣義相對論仍然有效。不僅如此，廣義相對論還預言了未知的現象，例如，引力的傳播速度是光速、有質量的物體加速運動時會產生引力波、宇宙中存在吞噬光的黑洞。
在廣義相對論誕生100年後，天文學家終於首次直接發現了引力波，由兩個黑洞碰撞所產生。該發現也證明，引力波的傳播速度也是光速。到了2018年，天文學家首次直接捕捉到了黑洞照片，這進一步證實了廣義相對論。
引力波之所以在廣義相對論誕生一個世紀後才直接發現，是因為這種效應極其微弱，以致於愛因斯坦都覺得無法探測到。只有黑洞碰撞這樣的宇宙災難，才能爆發出足夠強大的引力波。
探測引力波的裝置是一種鐳射干涉儀，有著兩條互相垂直的等長干涉臂。當引力波經過探測器時，引起了時空的波動，導致一條幹涉臂被拉長，另一條幹涉臂被壓縮，當一束被分離的鐳射穿過兩條幹涉臂時，由於光程發生變化，將會探測到引力波的存在。
在著名物理學家基普·索恩的主導下，人類建造了史上最強大的引力波探測器——鐳射干涉引力波天文臺（LIGO）。為了讓干涉儀具有極高的靈敏度，干涉臂的長度達到了4公里，並且透過光子的來回反射，可以讓干涉臂的有效長度延伸到1600公里。LIGO能夠探測到10^-18米的長度變化，這隻有質子直徑的千分之一。
憑藉著強大的LIGO以及原理類似的室女座干涉儀（Virgo），天文學家先後探測了遠在數億、數十億光年外的黑洞合併產生的引力波。此後，這些引力波探測器又發現了兩個中子星合併所釋放出的引力波。
然而，還有一種更為罕見的碰撞沒有探測到，那就是黑洞和中子星的碰撞。直到最近，天文學家才首次確認發現了黑洞和中子星的直接碰撞，LIGO和Virgo在去年一月曾先後兩次發現這樣的引力波訊號。
第一次是GW200105，來自於一個質量為太陽8。9倍的黑洞和一個質量為太陽1。9倍的中子星碰撞。該訊號源位於9億光年之外，這意味著此次碰撞事件發生在9億年前，引力波經過9億年的時間才到達地球。
幸運的是，僅僅過了10天之後，天文學家又探測到另一起強烈的引力波訊號GW200115，來自於一個質量為太陽5。7倍的黑洞和一個質量為太陽1。5倍的中子星碰撞。該訊號源位於更遠的宇宙，距離地球達到了10億光年，這意味著該碰撞事件要比上一起更早發生1億年的時間。
在探測到這兩起引力波事件之後，天文學家馬上透過各種波段的天文望遠鏡來觀測這兩片天區，結果並沒有發現任何的電磁波訊號。這與雙中子星的合併不同，兩顆中子星碰撞時，將會合成出大量的金、鉑等元素，也會釋放出強烈的電磁波。
天文學家認為，這兩個黑洞並不是把它們附近的中子星撕碎掉，也不是慢慢地碰撞，而是黑洞直接一口吃掉了整個中子星。因此，這個過程並不會發出電磁波，只會產生震撼宇宙的引力波。
在這兩次引力波事件中，無論是黑洞，還是中子星，它們的前身都是質量在太陽8倍以上的大質量恆星。這些恆星快速耗盡燃料後，將會爆發成閃耀宇宙的超新星，核心部分將會被自身重力強烈壓縮成黑洞和中子星。
經過漫長時間的互相繞行，兩個緻密天體的軌道不斷衰減，直至發生碰撞。引力波最終擊中數以億計光年外的地球，讓我們目睹了不可思議的宇宙大碰撞。
參考文獻
［1］ R。 Abbott， T。 D。 Abbott， S。 Abraham， et al。 Observation of Gravitational Waves from Two Neutron Star–Black Hole Coalescences， The Astrophysical Journal Letters， 2021， 915， L5。
