引力波是广义相对论最重要的预言之一。经过近一个世纪的努力，人们终于在2015年9月14日直接探测到首个引力波信号GW150914。这一信号证实了广义相对论的重要预言——宇宙中存在双黑洞系统，它们可能并合成一个更大的黑洞。本报告以Phys.Rev.Lett.116,061102(2016)为基础，介绍LIGO合作组和Virgo合作组关于GW150914的探测工作。内容涉及LIGO简介、引力波信号GW150914、信号的可信度、作为源的双黑洞系统、GW150914的物理意义等，同时探讨可能的旁证。最后简单回顾中国的引力波探测历史。
引力波的理论与探测背景
引力波最早是由阿尔伯特·爱因斯坦于1916年基于广义相对论预言存在的。在广义相对论中，引力被解释为时空发生弯曲的结果，而宇宙中发生的天文现象会引起从波源向外以光速传播的时空“涟漪”，即引力波。爱因斯坦本人都怀疑引力波是否能被探测到，因为其与物质间的作用十分微弱。然而，双星系统或双黑洞的旋近以及最终的并合是一种可以尝试去探测的情形。在这些情形中，系统中的物体的速度会非常大，它们质量中将有相当的一部分将在非常短的时间转化为能量以引力波形式释出。
LIGO的发展与波信号探测
LIGO是由加州理工学院的基普·索恩及麻省理工学院的莱纳·魏斯等人于1992年发起的。在GW150914被探测到时，LIGO运转着两架引力波探测器：一架位于路易斯安那州利文斯顿，另一架则位于华盛顿州的汉福德区，两地相隔3002 km。两架探测器的运行原理与迈克尔逊干涉仪相仿。它们在2002年至2010年期间没有探测到任何引力波信号。随后，该计划进行多年的修整，两架探测器也得到提升。两架探测器于2015年2月进入工程模式，并于同年9月进入第一观测阶段。
物理意义与科学影响
GW150914的探测验证了广义相对论最后一项未被证实的理论预测，同时开启了引力波天文学的新纪元。引力波就此作为一种粒子和电磁波之外的新的探针，将被用于探测过去未能探测到的天体现象，如中子星的诞生、演化以及衰亡以及宇宙诞生之初的图景。此次探测到的引力波所造成的时空变化相对于LIGO探测器的一个干涉臂而言，相当于头发丝的宽度之于地球与太阳外最近恒星的距离。然而在并合最后阶段，等价于约3倍太阳质量的能量在不到1秒的时间内以引力波的形式释出，瞬时功率非常巨大，大于可观测宇宙中所有星体发光功率总和。
探测过程与结果
GW150914由LIGO位于汉福德区及利文斯顿的两架探测器于2015年9月14日的09:50:45（UTC）探测到。该信号来自南半天球，持续了超过0.2秒，频率在八个周期内由35Hz增至250 Hz。在数据采集工具的3分钟内，研究人员采用低延迟搜索方法对数据进行了快速初始分析。这个结果首先由当时身处德国的意大利博士后马可·德拉戈发现。在对信号经过更为细致的统计分析，并对自9月12日至10月20日中16天的数据也进行分析后，研究人员确认GW150914为真实的引力波现象，显著性超过5.1σ，置信水平为99.99994%。
波源情况与天文学影响
依据信号的幅值，该现象发生在与地球的光度距离约410+160 −180百万秒差距或13±6亿光年的位置。该引力波是由两个质量分别为36+5 −4倍太阳质量和29±4倍太阳质量的黑洞并合放出的，而并合后的黑洞的质量为太阳的62±4倍。其间减少的3.0±0.5倍太阳质量的能量以引力波形式释出，符合质能等价。引力波辐射的峰值功率为3.6×1049W，是可观测宇宙所有可见光源功率总和的10倍多，约为普朗克功率的0.1%。
结果发表与公认
2016年2月11日，LIGO的执行主任大卫·莱兹与加布里埃拉·冈萨雷斯、莱纳·魏斯以及基普·索恩等LIGO委员会成员，和NSF的主管弗朗丝·柯多瓦于华盛顿哥伦比亚特区举行的新闻发布会上宣布了探测结果。同日，巴里·巴里什在位于日内瓦的欧洲核子研究中心总部向物理学界宣讲了这一发现。2016年5月，全体研究团队，特别是计划创始者朗纳·德瑞福、基普·索恩、莱纳·魏斯，由于探测到引力波，共同荣获基础物理学突破奖与奖金3百万美金。他们还获得了格鲁柏宇宙奖。
对基础物理学的影响
GW150914的探测为强引力场中广义相对论的验证提供了实验依据，没有出现违背广义相对论理论预测的探测数据。此外，此次观测到的引力波并没有发生色散，依据旋近阶段的观测结果，引力子的质量上限被降低至2.16×10−58 kg，约为1.2×10−22 eV/c2。
引力波探测与未来展望
GW150914的探测预示着经过改进的LIGO探测器在其运行第一年中所能得到的探测结果中的第一个。2016年6月15日，LIGO团队宣布，第二次直接探测到重力波。预计未来每年将会有5个GW150914这样的黑洞并合现象以及40个双星并合现象被探测到。此外，经过提升的处女座干涉仪（Virgo）探测器，KAGRA，以及位于印度的LIGO第三个探测器将改善探测器网络建设情况，并改善位置信息重建以及信号源参数的估计情况。耗资十余亿美元的爱因斯坦望远镜也将于21世纪20年代后期正式投入运行。已预定发射的激光干涉空间天线（eLISA）可以在宇宙空间中探测引力波。激光干涉空间天线开路者号，已于2015年12月升空。
原初黑洞的可能性
经过详细分析数据，学者估算，GW150914事件所涉及到的两个黑洞，其质量皆大于25个太阳质量，大于通常由恒星灭亡产生的一般黑洞，因此，学者推测LIGO很可能探测到由暗物质形成的原初黑洞。