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尾聲

Epilogue

2015年9月14日,星期一,由於兩個LIGO天文台還沒有完全準備就緒,原計劃於當天上午8 : 00啟動的高新探測器的第一次科學運行(O1)被推遲了一周。在科學運行期間,探測器將始終處於鎖定狀態,以便在不受干擾的情況下收集數據。第一次科學運行被推遲之後,他們延長了第8次工程運行(ER8)的時間,以便檢測系統,進行最後的調試。工程運行的任務按照由高到低的優先程度排列,包括提高穩定性、讓探測器保持鎖定狀態、讓警報觸發器處於待命狀態。算法流水線自動執行一部分數據分析任務,在數據流中搜索有價值的信號。但是,算法流水線向負責觀察的合作夥伴(即望遠鏡和人造衛星的操作人員。他們在接到警報之後,負責搜索相應的光學信號)發警報的程序還沒有準備好。儘管探測器已經就位,但是算法流水線只能履行部分職能,因此操作人員還給自己安排了收集數據的工作。但是,他們在做這項額外工作時並不是非常仔細,工作的連續性也無法保證。

由於是多風的季節,暴風從阿留申群島、墨西哥灣或加拿大沿海地區拉布拉多吹過來,導致這裡的微弱地震的發生頻率居高不下。風雨對大陸架的衝擊以及地震活動都有可能導致探測器脫開鎖定狀態。因此,兩個LIGO天文台都遇到了麻煩。9月13日,星期日,漢福德的探測器在夜幕剛剛降臨的時候進入鎖定狀態。一名研究生在星期日的深夜開始做測試,直到週一凌晨1 : 00才結束。這個週末,雷納是在利文斯頓天文台度過的,一個無線電噪聲源讓他心情煩躁。他告訴我:「幸好,我的妻子讓我必須馬上回家。」留在利文斯頓天文台的人繼續做測試,直到週一的黎明之前,他們才從沮喪中解脫出來。探測器終於進入鎖定狀態。

探測器進入不受干擾的觀察模式之後,有一個不到一個小時的最佳探測期。漢福德和利文斯頓的探測器都記錄了一個脈衝信號,時間分別是凌晨2 : 50和凌晨4 : 50。兩個天文台的控制室裡各有一名值班的操作人員,但是這兩個人可能都沒有聽到任何異常的聲音。信號維持的時間太短,人耳根本來不及分析處理。

在數據記錄進行了不到300秒鐘的時候,算法流水線發現了一個值得關注的事件,並悄悄地記錄下來。歐洲人起床之後,習慣性地查看工作日誌。由於算法流水線經常報告潛在的可能目標,因此他們看到這個發現可能信號的報告時,沒有任何特別的反應,而是平靜地拿起電話,核實兩個天文台的探測器狀態。兩名操作員報告:一切正常。

他們鎖定了探測器,開始收集背景噪聲,直到幾個小時之後兩個天文台的探測器脫開鎖定狀態,進入離線狀態。這時候,邁克爾·蘭德裡上班了。他開始查閱工作日誌,並發現通信量非常大,人們還對這個可能的信號提出了各種各樣的猜想。邁克爾立刻告訴自己,「這肯定是一次盲注」,即故意在數據流中悄悄地注入一個虛假信號,目的是檢測合作組織的準備情況以及處理真實信號的能力。邁克爾對盲注小組(包含三名科研人員,任務是完成盲注測試)的這次行動有點兒惱火。他暗暗地想:「他們想幹什麼?我們還沒準備好呢。」他開車去漢福德天文台參加週一上午8 : 30的例會。碰巧的是,盲注小組的一名成員正好在場。邁克爾耐心地問他:「我們現在已經進入盲注階段了嗎?」出於對盲注規則的尊重,邁克爾不能明確地問是否有盲注測試。如果那樣問,盲注小組既不會表示肯定,也不會表示否定,而是拒絕回答。但是,他可以詢問他們是否進入了盲注階段。那個人顯得有點兒慌亂,回答說:「沒有。」

「你們開始盲注測試了嗎?」

「沒有。」

「你們已經進行常規注入測試了嗎?」

「沒有。」

邁克爾想是不是自己的表述不夠準確,於是他又問道:「你們有沒有進行任何形式的注入測試?」

「沒有。」

邁克爾想:「看來,這不是盲注測試。」他告訴我:「在意識到沒有盲注測試之後,我徹底冷靜下來。」

上午9點,邁克爾參加了這個國際合作項目每週一次的電話會議。在電話裡,很多人紛紛發言,大部分人都跟他之前的想法一樣,認為這很可能是一次盲注測試。傑米·羅林斯說:「我根本不相信這是真的。」在電話會議中,邁克爾站了起來,試圖聯繫身在利文斯頓天文台的加布裡埃拉·岡薩雷斯。最後,他告訴所有參加電話會議的人:「這次的異常信號不是盲注測試。」電話裡傳來加州理工學院艾倫·溫斯坦的聲音:「邁克爾……你再說一遍!」

2015年12月中旬,我收到LIGO項目負責人戴維·瑞茲發來的一封電子郵件。郵件的標題是:「本郵件涉及LIGO,注意保密」。瑞茲在郵件中寫道:「9月14日,LIGO的兩台探測器記錄了一個異常信號,而且該信號與兩個質量是太陽30倍的黑洞旋近及合併的現象一致。」他接著寫道:「在過去三個月中,LIGO科學合作組織與Virgo天文台認真審查了這個信號。它們得出了一個非常肯定的結論,即我們第一次完成了引力波探測,並且觀測到第一個雙黑洞系統。」郵件的署名是瑞茲、雷納和基普。「我們需要強調的是,相關論文可能在2月發表,在此之前,所有關於這次探測的信息都不能公開。」我不想告訴任何人,我的大腦有點兒混亂。在接下來的幾個小時裡,我靜靜地待在那裡,試圖想像這件事的具體情況,在大腦裡重現黑洞碰撞、時空振蕩、引力波傳播的所有情景,以便從心底裡接受這個事實。

黑洞碰撞傳遞給我們的信號,是宇宙大爆炸以來人類探測到的最強大的信號,引力波的強度是太陽光度的1023 倍。發生碰撞的這一對黑洞,一個質量是太陽的29倍,另一個是太陽的36倍。在碰撞之前,兩個黑洞相互繞對方運行,探測器捕捉到了它們運行的最後4圈。此時,兩個黑洞之間的距離僅為數百千米,運行速度非常接近於光速。當它們最終碰撞時,事件視界在它們附近發生扭曲,然後相互碰撞、合併,在振蕩之中消除了所有不規整的部位,最後變成了一個質量是太陽的60多倍、寂靜無聲的黑洞。探測器記錄的那個信號,包括黑洞最後幾圈軌道運行、碰撞、空間振蕩,只持續了200毫秒。探測器探測到干涉臂的長度發生了相當於質子直徑千分之一的變化,正好在幾十年前基普等人推斷的變化範圍之內。人們仍然認為這是一個響亮的信號,明顯強於背景噪聲。這個信號可以做聲化處理,但在播放錄音時必須放慢速度,才能辨明它的條理結構:當黑洞相互靠近時鈴振聲不斷升高,新的黑洞最終形成時聲音下降。數據還包含其他異常的地方,但都不顯著、明晰。這種響亮的信號為什麼如此少見,原因很難弄清楚。

完成這一次探測之後,LIGO迎來了廣義相對論的100週年紀念日。1915年11月25日,愛因斯坦第一次對引力進行了幾何描述。嚴格說來,LIGO科學合作組織成功實現了雷納的目標,在愛因斯坦發表第二篇引力波論文的100週年紀念日到來之前完成了第一次探測。

雷納說:「最重要的是,我了卻了一樁心願。」

他開玩笑說:「我的妻子突然對這個領域產生了興趣。」碰巧的是,雷納在美國國家科學基金會的老朋友裡奇·艾薩克森也在9月中旬的那一周來緬因州看望他。就像懷疑有傳染性一樣,艾薩克森聽到這個消息之後的第一反應也是不敢相信,他問我:「你相信嗎?」有人甚至擔心這個信號是黑客惡意注入的產物,雷納也有這種擔心。但是,要做到這一點,這名黑客對相關知識的瞭解程度,至少要與LIGO科學合作組織中最能幹、參與程度最高的那些科研人員相差無幾。謹慎起見,他們已經詢問過符合條件的那幾個人了。疑慮逐漸消退,人們在猶豫不決後興奮起來。

基普說:「我當時一陣狂喜。」儘管業界的觀點多年來一直搖擺不定,但是他一直認為第一個被探測到的引力波源應該是黑洞。黑洞的質量越大,碰撞的聲音越響亮,傳播的範圍越遠,被探測器成功捕捉的可能性越大,儘管符合這些條件的黑洞比較少。因此,基普關心的是這一刻何時會到來。

我告訴基普,那些實驗人員認為第一次成功探測在幾年內不會實現,他們建議我耐心等待。基普糾正了我的說法:「這些人中肯定不包括萊納。萊納每次都會跟我說,這次肯定有收穫。」

我跟萊納說到這件事的時候,他回答說:「我的確每次都會那樣說。」

然而,當萊納聽到大廳裡有人討論那個可能的信號時,他卻不為所動。他說:「我們默默地打開了機器。」一天之後,他才有機會查看那些數據。在他看來,那個信號簡單得近乎荒謬,與理論推斷得出的引力波沒有任何顯著不同。(幾分鐘之後,我利用自己的黑洞密碼繪製了一幅圖,用來模擬兩個黑洞最後幾圈軌道運行的情況與空間振蕩形成的波形。)他希望對廣義相對論提出質疑,還希望他參與建造的機器可以用來檢測量子引力。他說:「我們需要加大研究的力度。」

雷納陷入了幻想:「黑洞,這是前輩們夢寐以求的東西啊。它是純粹的幾何體,也是純粹的時空合併。」但僅過了一分鐘,他就從想入非非中清醒過來,擔心起未來發展的問題。現在的探測器已經比第一代更靈敏了。兩者之間的差別,從論文草稿中摘錄的一句話就可見一斑:「這384個小時得到的雙黑洞系統的觀察數據比第一代機器得到的總和還多。」高新探測器的靈感度更高。雷納繼續埋頭研究,以進一步降低探測器的噪聲,讓這些機器發揮更大的作用。為了履行諾言,讓天文台全面發揮科研功能,整個團隊還需要繼續努力。

我說:「恭喜你,雷納。就連我都激動得無以言表,很難想像你現在是什麼心情。」

「我的確了了一樁心事,但是新的挑戰又來了,你看看我現在遇到的問題就能理解我的心情了。」

幾十億年前,兩顆巨大的恆星沿著軌道繞對方運行。這兩顆恆星的周圍可能有行星,但由於這種雙恆星系統可能非常不穩定或者結構過於簡單,因此它們周圍有行星的可能性不大。最終,這兩顆恆星相繼死亡,形成了兩個黑洞,在黑暗中相互繞對方運行。大約幾十億年之後,這兩個黑洞發生碰撞,合併為一個大黑洞。最後的200毫秒時間裡,它們朝宇宙發射出極其強大的引力波。

引力波跨越了14億光年的距離,來到了地球。整整14億光年!在引力波抵達地球之前的幾個小時裡,漢德福的探測器進入了鎖定狀態。還剩下一個小時的時候,利文斯頓的探測器也進入了鎖定狀態。那天晚上午夜時分,華盛頓州的科研人員結束了一天的忙碌,各自回家休息。路易斯安那州的科研人員沮喪地放下手裡的工具,讓探測器進入無人干擾的觀察模式。不到一小時之後。引力波從地球南邊的天空傳來,掠過路易斯安那州時「叫醒」了利文斯頓的探測器,然後沿著與地面近乎平行的方向以光速傳播。10毫秒之後,漢福德的探測器也有了反應。

第二天早晨8點時,這束引力波與地球之間的距離已經有20億千米了。同往常一樣,正在緬因州度假的雷納翻開了工作日誌,看看是否有人需要他提供幫助。結果,他發現日誌中有大量紅色標注的條目,而且內容都是關於兩個天文台全面暫停所有活動的事。跟團隊其他成員一樣,雷納也感到很奇怪:「到底發生了什麼事?」

可以預見,他們將召開新聞發佈會,發表科研論文。媒體的報道也將鋪天蓋地。美國國家科學基金會將收到各種資料、報告。原始的記錄材料將被歸檔放入資料櫃。我們還會繼續向太空發送信號,宣告我們的存在,宣告我們希望相互瞭解,宣告我們偶爾也會取得成功,儘管大多數情況下我們都會遭遇失敗。我們聽到了黑洞碰撞的聲音。我們將充分發揮聰明才智,把目光投向這些聲音的可能來源,投向許多許多年前的那片時空。

在浩瀚宇宙的深處,在距離我們非常遙遠的南方,那個巨大的黑洞將在星系中運行,在黑暗、寂靜中等待星際塵霧或者迷途恆星從它的旁邊經過。幾十億年之後,它的寄主星系可能會與某個「鄰居」發生碰撞,將這個巨大黑洞噴射到遠方。它也許會落到正在不斷長大的星系中心,一個質量超大的黑洞正在那裡等著它。所有恆星都會死亡,銀河系將與仙女星系融為一體。宇宙中的一切,包括這次發現的相關記錄、太陽系的殘骸,最終都將被黑洞吞噬。在臨近時間盡頭時,膨脹的宇宙將陷入沉寂,所有的黑洞也將化為烏有。