叒見(jiàn)引力波

出品：科普中國(guó)

制作：黑洞來(lái)客 茍利軍 黃月

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

引力波無(wú)疑是2016年科學(xué)界最大的新聞之一。2016年2月和6月，LIGO（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, 激光干涉儀引力波天文臺(tái)）和Virgo（室女引力波探測(cè)器）科學(xué)組織聯(lián)合，先后公開(kāi)宣布了兩次探測(cè)到的引力波事件，街頭巷尾都在議論著引力波，這被認(rèn)為是科學(xué)史上100年來(lái)的最大突破。

此后一段時(shí)間里，關(guān)于探測(cè)到更多引力波事件的謠言不斷出現(xiàn)，但并未得到官方的確認(rèn)。5月31日，在距離上次發(fā)布會(huì)近一年之后，LIGO和Virgo科學(xué)合作組織舉行了一次內(nèi)部媒體發(fā)布會(huì)，正式確認(rèn)了第三次引力波事件。

圖1：雙黑洞合并模擬

在大眾傳媒中間，引力波似乎已成為一個(gè)過(guò)氣話題，而對(duì)于科學(xué)家們來(lái)說(shuō)，對(duì)于引力波的探索和研究才剛剛開(kāi)始。

LIGO發(fā)言人大衛(wèi)?舒梅克（David Shoemaker）在發(fā)布會(huì)上說(shuō)，他期待著，十年之后，引力波領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)將超出我們的想象。

黑洞來(lái)客團(tuán)隊(duì)以自由撰稿人的身份申請(qǐng)旁聽(tīng)了這次內(nèi)部發(fā)布會(huì)，這一次，人類(lèi)又發(fā)現(xiàn)了哪些宇宙的小秘密呢？

一、一次略顯神秘的“秘密發(fā)布會(huì)”

雖然發(fā)布會(huì)的召開(kāi)時(shí)間是北京時(shí)間5月31日深夜，但今天并沒(méi)有什么關(guān)于引力波的新聞見(jiàn)諸報(bào)端。

原因有二：

一來(lái)，之前兩次發(fā)布會(huì)都采用了視頻直播的方式，聲勢(shì)浩大。

圖2 此前兩次視頻發(fā)布會(huì)是這樣式兒的（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

這次則選擇了更為方便的電話會(huì)議，參會(huì)人員不必專(zhuān)程聚集到某一個(gè)地點(diǎn)；這也表明了引力波探測(cè)事件的日?；?，隨著探測(cè)靈敏度的提高，將有越來(lái)越多的引力波事件被發(fā)現(xiàn)，隆重的視頻發(fā)布會(huì)已不再必要，除非發(fā)現(xiàn)全新的天文現(xiàn)象。

二來(lái)，依據(jù)主辦方規(guī)定，關(guān)于此次新聞發(fā)布會(huì)的報(bào)道須在24小時(shí)后才能發(fā)布，也就是北京時(shí)間6月1日23時(shí)之后。

不僅如此，為了保證內(nèi)容不被提前透露，這次發(fā)布會(huì)采用了邀請(qǐng)加入的方式（RSVP），須事先得到組織方的加入指南，才能進(jìn)入電話會(huì)議中。黑洞來(lái)客團(tuán)隊(duì)以自由撰稿人的身份申請(qǐng)旁聽(tīng)，很快獲得回復(fù)和批準(zhǔn)。在進(jìn)行連接和登記之后，我們進(jìn)入了這場(chǎng)“秘密會(huì)議”的“大廳”。

麻省理工學(xué)院教授大衛(wèi)?舒梅克是新當(dāng)選的LIGO發(fā)言人，他首先宣布advanced LIGO（簡(jiǎn)稱(chēng)aLIGO，原來(lái)激光干涉引力波天文臺(tái)的升級(jí)版）發(fā)現(xiàn)了來(lái)自兩個(gè)黑洞合并的新引力波源GW170104，以及本次新發(fā)現(xiàn)引力波事件的基本特征。

與之前的LIGO相比，改進(jìn)后的aLIGO靈敏度更高，探測(cè)范圍更遠(yuǎn)。

它于2015年9月開(kāi)始正式運(yùn)行，在2016年年初結(jié)束了第一期的運(yùn)行。在此期間，它探測(cè)并確認(rèn)了我們此前熟知的兩個(gè)引力波事件——GW150914和GW151226。

經(jīng)過(guò)短暫的修整和調(diào)試，aLIGO從去年11月30日開(kāi)始第二次運(yùn)行，預(yù)計(jì)今年8月份結(jié)束。在第二次運(yùn)行過(guò)程中，aLIGO發(fā)現(xiàn)了此次公布的GW170104事件。此時(shí)距離上一個(gè)引力波確認(rèn)事件，已過(guò)去了一年時(shí)間。

相隔時(shí)間看似漫長(zhǎng)，但從LIGO官方主頁(yè)我們可以看出，aLIGO在此次運(yùn)行過(guò)程中已探測(cè)到了6例引力波新事件(http://www.ligo.org/news/index.php#O2May2017update)，平均每月一次！只不過(guò)其它更多數(shù)據(jù)還在分析和驗(yàn)證中。

二、30億年前一場(chǎng)用時(shí)0.1秒的大事件

黑洞看似神秘，實(shí)為宇宙間最為簡(jiǎn)單的一類(lèi)天體。

為什么這么說(shuō)？因?yàn)橥ǔＮ覀冎恍枞齻€(gè)量（質(zhì)量，自轉(zhuǎn)和電荷）就可以描述一個(gè)理論上的黑洞，物理學(xué)家把這稱(chēng)為“三毛定理”（或“無(wú)毛定理”）。

對(duì)于宇宙當(dāng)中真實(shí)存在的黑洞而言，描述就更為簡(jiǎn)單，只需要質(zhì)量和自轉(zhuǎn)兩個(gè)量。（因?yàn)楹诙粗車(chē)ǔ４嬖谥杂呻姾?，即使黑洞本?lái)帶電荷，也很容易達(dá)到中性。）

科學(xué)家們通過(guò)引力波測(cè)量黑洞的質(zhì)量和自轉(zhuǎn)，有著非常大的優(yōu)勢(shì)。一旦測(cè)量到了引力波，通過(guò)波形比對(duì)，我們就可以知道黑洞合并前后的這些物理量的大小了。

圖3 觀測(cè)到的引力波頻率演化圖和形變演化圖

通過(guò)比對(duì)此次觀測(cè)的波形和不同參數(shù)模型，LIGO的科學(xué)家們得出結(jié)論：此次發(fā)現(xiàn)的引力波事件和之前的兩例類(lèi)似，也是來(lái)自于兩個(gè)黑洞的合并。

在合并之前，兩個(gè)黑洞的質(zhì)量分別為31.2和19.4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，合并后產(chǎn)生了一個(gè)48.7太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。黑洞合并的一瞬間，以引力波的形式釋放出了近2個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的能量，那一刻所產(chǎn)生的能量要比整個(gè)宇宙中所有恒星釋放出來(lái)的能量之和多幾十倍。

這次氣勢(shì)恢弘的黑洞合并被LIGO在兩個(gè)不同地方的探測(cè)器（分別位于Hanford和Livingston）同時(shí)觀測(cè)到了，Hanford早探測(cè)到了3毫秒。整個(gè)信號(hào)過(guò)程只持續(xù)了短短的0.1秒。

插入視頻（只放企鵝號(hào)里）

鏈接： https://v.qq.com/x/page/c0509nl3dak.html

這場(chǎng)合并發(fā)生在距離我們30億光年的地方。自事件發(fā)生起，經(jīng)過(guò)了宇宙間30億年的傳播，才最終抵達(dá)我們的地球。LIGO之前探測(cè)到的兩個(gè)事件，分別位于13億和14億光年之外。

這也說(shuō)明了aLIGO運(yùn)行狀態(tài)良好，甚至可以說(shuō)是超常發(fā)揮了。因?yàn)榘凑罩暗墓烙?jì)，aLIGO應(yīng)該最遠(yuǎn)可探測(cè)到23億光年之外由兩個(gè)30太陽(yáng)質(zhì)量黑洞合并的信號(hào)，而這次的30億光年遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了科學(xué)家們的預(yù)估。

三、認(rèn)識(shí)黑洞的一塊重要拼圖

相較于此前兩次熱鬧的引力波事件，這次發(fā)現(xiàn)有什么重大意義嗎？對(duì)科學(xué)家們來(lái)說(shuō)，意義不小。

如果你還記得的話，之前的兩次黑洞合并，最后形成的黑洞的質(zhì)量分別62（第一次）和21（第二次）個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。在LIGO探測(cè)到黑洞之前，單純從理論的角度計(jì)算，宇宙中很難產(chǎn)生高于20個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。即便是從觀測(cè)角度看，我們?cè)陔姶挪ǘ慰吹降淖畲筚|(zhì)量黑洞也只有15個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，所以人們通常認(rèn)為，更高質(zhì)量黑洞在宇宙中是不存在的。

然而，LIGO給了我們一個(gè)驚喜！

更大質(zhì)量的黑洞的的確確存在于我們的宇宙之中。在這次探測(cè)中，人類(lèi)又發(fā)現(xiàn)了49個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，進(jìn)一步確認(rèn)了更高質(zhì)量黑洞的存在，擴(kuò)大了我們對(duì)于黑洞的認(rèn)知。

圖4：引力波探測(cè)到的黑洞（藍(lán)色和綠色）和電磁輻射探測(cè)到的黑洞（紫色）對(duì)比圖，引力波探測(cè)到的黑洞質(zhì)量都是比較大的。圖中綠色的是新探測(cè)的黑洞系統(tǒng)GW170104。

此外，借助此次引力波事件，科學(xué)家們也對(duì)黑洞的自轉(zhuǎn)做出了限制。

在天文學(xué)中，我們通常使用一個(gè)介于0-1之間的數(shù)值，來(lái)表示黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢。數(shù)值0意味著沒(méi)有任何轉(zhuǎn)動(dòng)，1對(duì)應(yīng)著黑洞視界面上的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為光速。限于數(shù)據(jù)質(zhì)量的精度（誤差較大），科學(xué)家們目前僅對(duì)合并后的黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)快慢做出了限制，數(shù)值約為0.64，即黑洞視界面的轉(zhuǎn)動(dòng)速度約為光速的一半。

盡管對(duì)于合并之前黑洞的轉(zhuǎn)動(dòng)未做出很好的限制，但通過(guò)模型比對(duì)，我們至少可以知道，兩個(gè)黑洞都存在著所謂“進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象”（precession），也就是說(shuō)，黑洞自身轉(zhuǎn)動(dòng)方向和兩個(gè)黑洞繞轉(zhuǎn)的軌道平面并不完全一致，存在著一定夾角。

我們最為熟悉的“進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象”，莫過(guò)于小時(shí)候玩過(guò)的陀螺——陀螺飛旋，除了自身的轉(zhuǎn)動(dòng)之外，還會(huì)圍繞一個(gè)大圈進(jìn)行繞轉(zhuǎn)，這種自傳物的自轉(zhuǎn)軸又繞著另一軸旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，便是進(jìn)動(dòng)了。

而且，這一大事件還幫助科學(xué)家對(duì)雙黑洞系統(tǒng)的形成機(jī)制做出了限制。

目前有兩種不同的理論，用以解釋雙黑洞的形成：其一是原生雙星系統(tǒng)，即兩個(gè)大質(zhì)量恒星誕生之初就在一起，之后一同演化到老，最終形成雙黑洞系統(tǒng)；根據(jù)觀測(cè)估計(jì)的話，銀河系中有一半恒星處于雙星系統(tǒng)當(dāng)中，所以這種形成機(jī)制還是很有可能的。

另外一種形成機(jī)制是雙黑洞形成于星團(tuán)當(dāng)中，最初的系統(tǒng)本來(lái)是一個(gè)黑洞和一個(gè)正常恒星，當(dāng)該系統(tǒng)碰到另一黑洞時(shí)就會(huì)形成三體系統(tǒng)，恒星質(zhì)量通常比黑洞小很多，所以恒星會(huì)被大質(zhì)量的黑洞替換掉踢出系統(tǒng)，從而由原來(lái)的單黑洞系統(tǒng)變?yōu)殡p黑洞系統(tǒng)。因?yàn)樾菆F(tuán)中心通常比較致密，這種可能性也很大，無(wú)論是從理論還是數(shù)值模擬，都已證明了這一現(xiàn)象的發(fā)生。

那么，到底哪一種雙黑洞系統(tǒng)的產(chǎn)生機(jī)制更靠譜呢？

按理論預(yù)計(jì)，原生雙星系統(tǒng)誕生于同一片星云，兩個(gè)黑洞的有效旋轉(zhuǎn)方向和軌道運(yùn)動(dòng)方向通常是一致的。對(duì)于第二種交換方式而言，兩個(gè)黑洞的旋轉(zhuǎn)方向無(wú)需一致，可以指向任何方向，從而導(dǎo)致兩黑洞整體的有效旋轉(zhuǎn)方向和軌道運(yùn)動(dòng)方向不一定一致。

此次引力波觀測(cè)擬合結(jié)果由此投出了重要一票：兩黑洞的有效旋轉(zhuǎn)方向和系統(tǒng)軌道運(yùn)動(dòng)方向不一致，傾向于第二種形成機(jī)制，是通過(guò)交換方式產(chǎn)生了雙黑洞系統(tǒng)。

四、一條引力波研究的漫漫長(zhǎng)路

驚喜不少，遺憾也還是有的。

因?yàn)閷?shí)在太過(guò)遙遠(yuǎn)，我們看不到黑洞合并所在的星團(tuán)，甚至連引力波所在的星系都沒(méi)看到。主要原因在于目前引力波的定位還是很差，畢竟幾百平方度的范圍之內(nèi)包含著多達(dá)幾十萬(wàn)個(gè)星系。今年秋天，歐洲的Virgo探測(cè)器將一起加入觀測(cè)，我們到時(shí)就有了三個(gè)探測(cè)器，觀測(cè)的空間精度將會(huì)大大提高。

當(dāng)然，最理想的情況是引力波源能有對(duì)應(yīng)的電磁波輻射，我們就能夠同時(shí)進(jìn)行多信使（比如，X射線或者光學(xué)）的觀測(cè)，從而精確確定其發(fā)生的空間位置。LIGO每次探測(cè)到引力波事件，都會(huì)及時(shí)將相關(guān)信息發(fā)送給合作伙伴，到目前為止，還沒(méi)有觀測(cè)到任何電磁對(duì)應(yīng)體。黑洞系統(tǒng)在合并之前已不存在什么氣體，所以不會(huì)產(chǎn)生任何電磁輻射，三次探測(cè)結(jié)果也向我們證明了這一點(diǎn)。

但我們還有機(jī)會(huì)。

并非所有人類(lèi)能夠探測(cè)到的引力波都來(lái)自沒(méi)有任何其它輻射的黑洞合并。雙中子星合并、中子星與黑洞合并，以及超新星爆發(fā)等等，都會(huì)在產(chǎn)生引力波的同時(shí)產(chǎn)生電磁輻射。只不過(guò)受限于靈敏度，我們還沒(méi)觀測(cè)到而已?？梢源_定的是，接下來(lái)隨著探測(cè)能力的提高和更多引力波望遠(yuǎn)鏡的建立，我們肯定會(huì)看到來(lái)自其它天體的引力波以及他們的對(duì)應(yīng)體。

眼下，美國(guó)和歐洲的引力波天文臺(tái)正主導(dǎo)著引力波的觀測(cè)工作，隨著LIGO探測(cè)的推進(jìn)，中國(guó)的引力波研究也隨之進(jìn)入了一股前所未有的熱潮。在理論研究的同時(shí)，中國(guó)也在積極推動(dòng)直接探測(cè)引力波的望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目。

目前，太極計(jì)劃和天琴計(jì)劃這兩個(gè)空間項(xiàng)目正各自推進(jìn)，將于地面探測(cè)原初引力波的阿里計(jì)劃已通過(guò)立項(xiàng)，并開(kāi)始建設(shè)。除此之外，中國(guó)還準(zhǔn)備利用剛剛建好的500米射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）和正在建設(shè)的平方公里陣（SKA），以脈沖星計(jì)時(shí)陣的方式探測(cè)引力波。

引力波探測(cè)之路漫漫其修遠(yuǎn)兮。在昨晚的發(fā)布會(huì)上，有聽(tīng)眾向科學(xué)家提出了這樣的問(wèn)題：你期待10年之后LIGO或引力波天文學(xué)能做出什么新發(fā)現(xiàn)呢？大衛(wèi)?舒梅克回答道：“我期望著能有完全意想不到的、完全超出我們的想象事件的發(fā)生?！庇钪婢褪沁@么奇妙，引力波已經(jīng)向我們證明了這一點(diǎn)，還將繼續(xù)證明給我們看。

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