引力波是廣義相對論最重要的預言之一。經過近一個世紀的努力，人們終于在2015年9月14日直接探測到首個引力波信號GW150914。這一信號證實了廣義相對論的重要預言——宇宙中存在雙黑洞系統，它們可能并合成一個更大的黑洞。本報告以Phys.Rev.Lett.116,061102(2016)為基礎，介紹LIGO合作組和Virgo合作組關于GW150914的探測工作。內容涉及LIGO簡介、引力波信號GW150914、信號的可信度、作為源的雙黑洞系統、GW150914的物理意義等，同時探討可能的旁證。最后簡單回顧中國的引力波探測歷史。
引力波的理論與探測背景
引力波最早是由阿爾伯特·愛因斯坦于1916年基于廣義相對論預言存在的。在廣義相對論中，引力被解釋為時空發生彎曲的結果，而宇宙中發生的天文現象會引起從波源向外以光速傳播的時空“漣漪”，即引力波。愛因斯坦本人都懷疑引力波是否能被探測到，因為其與物質間的作用十分微弱。然而，雙星系統或雙黑洞的旋近以及最終的并合是一種可以嘗試去探測的情形。在這些情形中，系統中的物體的速度會非常大，它們質量中將有相當的一部分將在非常短的時間轉化為能量以引力波形式釋出。
LIGO的發展與波信號探測
LIGO是由加州理工學院的基普·索恩及麻省理工學院的萊納·魏斯等人于1992年發起的。在GW150914被探測到時，LIGO運轉著兩架引力波探測器：一架位于路易斯安那州利文斯頓，另一架則位于華盛頓州的漢福德區，兩地相隔3002 km。兩架探測器的運行原理與邁克爾遜干涉儀相仿。它們在2002年至2010年期間沒有探測到任何引力波信號。隨后，該計劃進行多年的修整，兩架探測器也得到提升。兩架探測器于2015年2月進入工程模式，并于同年9月進入第一觀測階段。
物理意義與科學影響
GW150914的探測驗證了廣義相對論最后一項未被證實的理論預測，同時開啟了引力波天文學的新紀元。引力波就此作為一種粒子和電磁波之外的新的探針，將被用于探測過去未能探測到的天體現象，如中子星的誕生、演化以及衰亡以及宇宙誕生之初的圖景。此次探測到的引力波所造成的時空變化相對于LIGO探測器的一個干涉臂而言，相當于頭發絲的寬度之于地球與太陽外最近恒星的距離。然而在并合最后階段，等價于約3倍太陽質量的能量在不到1秒的時間內以引力波的形式釋出，瞬時功率非常巨大，大于可觀測宇宙中所有星體發光功率總和。
探測過程與結果
GW150914由LIGO位于漢福德區及利文斯頓的兩架探測器于2015年9月14日的09:50:45（UTC）探測到。該信號來自南半天球，持續了超過0.2秒，頻率在八個周期內由35Hz增至250 Hz。在數據采集工具的3分鐘內，研究人員采用低延遲搜索方法對數據進行了快速初始分析。這個結果首先由當時身處德國的意大利博士后馬可·德拉戈發現。在對信號經過更為細致的統計分析，并對自9月12日至10月20日中16天的數據也進行分析后，研究人員確認GW150914為真實的引力波現象，顯著性超過5.1σ，置信水平為99.99994%。
波源情況與天文學影響
依據信號的幅值，該現象發生在與地球的光度距離約410+160 ?180百萬秒差距或13±6億光年的位置。該引力波是由兩個質量分別為36+5 ?4倍太陽質量和29±4倍太陽質量的黑洞并合放出的，而并合后的黑洞的質量為太陽的62±4倍。其間減少的3.0±0.5倍太陽質量的能量以引力波形式釋出，符合質能等價。引力波輻射的峰值功率為3.6×1049W，是可觀測宇宙所有可見光源功率總和的10倍多，約為普朗克功率的0.1%。
結果發表與公認
2016年2月11日，LIGO的執行主任大衛·萊茲與加布里埃拉·岡薩雷斯、萊納·魏斯以及基普·索恩等LIGO委員會成員，和NSF的主管弗朗絲·柯多瓦于華盛頓哥倫比亞特區舉行的新聞發布會上宣布了探測結果。同日，巴里·巴里什在位于日內瓦的歐洲核子研究中心總部向物理學界宣講了這一發現。2016年5月，全體研究團隊，特別是計劃創始者朗納·德瑞福、基普·索恩、萊納·魏斯，由于探測到引力波，共同榮獲基礎物理學突破獎與獎金3百萬美金。他們還獲得了格魯柏宇宙獎。
對基礎物理學的影響
GW150914的探測為強引力場中廣義相對論的驗證提供了實驗依據，沒有出現違背廣義相對論理論預測的探測數據。此外，此次觀測到的引力波并沒有發生色散，依據旋近階段的觀測結果，引力子的質量上限被降低至2.16×10?58 kg，約為1.2×10?22 eV/c2。
引力波探測與未來展望
GW150914的探測預示著經過改進的LIGO探測器在其運行第一年中所能得到的探測結果中的第一個。2016年6月15日，LIGO團隊宣布，第二次直接探測到重力波。預計未來每年將會有5個GW150914這樣的黑洞并合現象以及40個雙星并合現象被探測到。此外，經過提升的處女座干涉儀（Virgo）探測器，KAGRA，以及位于印度的LIGO第三個探測器將改善探測器網絡建設情況，并改善位置信息重建以及信號源參數的估計情況。耗資十余億美元的愛因斯坦望遠鏡也將于21世紀20年代后期正式投入運行。已預定發射的激光干涉空間天線（eLISA）可以在宇宙空間中探測引力波。激光干涉空間天線開路者號，已于2015年12月升空。
原初黑洞的可能性
經過詳細分析數據，學者估算，GW150914事件所涉及到的兩個黑洞，其質量皆大于25個太陽質量，大于通常由恒星滅亡產生的一般黑洞，因此，學者推測LIGO很可能探測到由暗物質形成的原初黑洞。
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