出品：科普中國

制作：黑洞來客 茍利軍 黃月

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

引力波無疑是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（室女引力波探測器）科學(xué)組織聯(lián)合，先后公開宣布了兩次探測到的引力波事件，街頭巷尾都在議論著引力波，這被認(rèn)為是科學(xué)史上100年來的最大突破。

此后一段時(shí)間里，關(guān)于探測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)過氣話題，而對(duì)于科學(xué)家們來說，對(duì)于引力波的探索和研究才剛剛開始。

LIGO發(fā)言人大衛(wèi)?舒梅克（David Shoemaker）在發(fā)布會(huì)上說，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。

黑洞來客團(tuán)隊(duì)以自由撰稿人的身份申請(qǐng)旁聽了這次內(nèi)部發(fā)布會(huì)，這一次，人類又發(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)的召開時(shí)間是北京時(shí)間5月31日深夜，但今天并沒有什么關(guān)于引力波的新聞見諸報(bào)端。

原因有二：

一來，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)人員不必專程聚集到某一個(gè)地點(diǎn)；這也表明了引力波探測事件的日常化，隨著探測靈敏度的提高，將有越來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，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。黑洞來客團(tuán)隊(duì)以自由撰稿人的身份申請(qǐng)旁聽，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“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（簡稱aLIGO，原來激光干涉引力波天文臺(tái)的升級(jí)版）發(fā)現(xiàn)了來自兩個(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，探測范圍更遠(yuǎn)。

它于2015年9月開始正式運(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)過短暫的修整和調(diào)試，aLIGO從去年11月30日開始第二次運(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，已過去了一年時(shí)間。

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

二、30億年前一場用時(shí)0.1秒的大事件

黑洞看似神秘，實(shí)為宇宙間最為簡單的一類天體。

為什么這么說？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)家把這稱為“三毛定理”（或“無毛定理”）。

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

科學(xué)家們通過引力波測量黑洞的質(zhì)量和自轉(zhuǎn)，有著非常大的優(yōu)勢(shì)。一旦測量到了引力波，通過波形比對(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 觀測到的引力波頻率演化圖和形變演化圖

通過比對(duì)此次觀測的波形和不同參數(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似，也是來自于兩個(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)太陽質(zhì)量，合并后產(chǎn)生了一個(gè)48.7太陽質(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)不同地方的探測器（分別位于Hanford和Livingston）同時(shí)觀測到了，Hanford早探測到了3毫秒。整個(gè)信號(hào)過程只持續(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之前探測到的兩個(gè)事件，分別位于13億和14億光年之外。

這也說明了aLIGO運(yùn)行狀態(tài)良好，甚至可以說是超常發(fā)揮了。因?yàn)榘凑罩暗墓烙?jì)，aLIGO應(yīng)該最遠(yuǎn)可探測到23億光年之外由兩個(gè)30太陽質(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)家們來說，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)太陽質(zhì)量。在LIGO探測到黑洞之前，單純從理論的角度計(jì)算，宇宙中很難產(chǎn)生高于20個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞。即便是從觀測角度看，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。在這次探測中，人類又發(fā)現(xiàn)了49個(gè)太陽質(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：引力波探測到的黑洞（藍(lán)色和綠色）和電磁輻射探測到的黑洞（紫色）對(duì)比圖，引力波探測到的黑洞質(zhì)量都是比較大的。圖中綠色的是新探測的黑洞系統(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，來表示黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢。數(shù)值0意味著沒有任何轉(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，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”，莫過于小時(shí)候玩過的陀螺——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路

驚喜不少，遺憾也還是有的。

因?yàn)閷?shí)在太過遙遠(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)幾十萬個(gè)星系。今年秋天，歐洲的Virgo探測器將一起加入觀測，我們到時(shí)就有了三個(gè)探測器，觀測的空間精度將會(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，從而精確確定其發(fā)生的空間位置。LIGO每次探測到引力波事件，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，還沒有觀測到任何電磁對(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)。

并非所有人類能夠探測到的引力波都來自沒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。只不過受限于靈敏度，我們還沒觀測到而已?？梢源_定的是，接下來隨著探測能力的提高和更多引力波望遠(yuǎn)鏡的建立，我們肯定會(huì)看到來自其它天體的引力波以及他們的對(duì)應(yīng)體。

眼下，美國和歐洲的引力波天文臺(tái)正主導(dǎo)著引力波的觀測工作，隨著LIGO探測的推進(jìn)，中國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)，中國也在積極推動(dòng)直接探測引力波的望遠(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)，將于地面探測原初引力波的阿里計(jì)劃已通過立項(xiàng)，并開始建設(shè)。除此之外，中國還準(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)陣的方式探測引力波。

引力波探測之路漫漫其修遠(yuǎn)兮。在昨晚的發(fā)布會(huì)上，有聽眾向科學(xué)家提出了這樣的問題：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。”宇宙就是這么奇妙，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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