[科普中國]-引力波，帶人類傾聽星辰大海之聲

編者按： 在一波又一波傳言后，終于！北京時(shí)間2016年2月11日23:40左右，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）負(fù)責(zé)人、加州理工學(xué)院教授David Reitze宣布，人類首次發(fā)現(xiàn)了引力波。 發(fā)布會(huì)上究竟揭開了哪些謎團(tuán)？與之前的傳言有何不同嗎？ 科普中國移動(dòng)端科普融合創(chuàng)作項(xiàng)目特邀中國科學(xué)院國家天文臺(tái)黑洞來客團(tuán)隊(duì)（團(tuán)隊(duì)主要成員茍利軍研究員為國家天文臺(tái)恒星級(jí)黑洞研究創(chuàng)新小組負(fù)責(zé)人，而這次被探測到的引力波正是來自雙黑洞系統(tǒng)），全面解讀這場激動(dòng)人心的發(fā)布會(huì)。

一波又一波的引力波傳言終于在北京時(shí)間11日晚上的美國自然基金會(huì)的新聞發(fā)布會(huì)中塵埃落定：人類首次直接探測到了引力波，這是真的！正如發(fā)布會(huì)所言，在被預(yù)言將近百年、苦苦追尋幾十年之后，首個(gè)位于地球之外13億光年的引力波源GW150914被人類直接探測到，這是一個(gè)值得紀(jì)念的偉大時(shí)刻，一個(gè)新時(shí)代的序幕正在拉開——地球人，歡迎你來到引力波時(shí)代！

激動(dòng)人心的發(fā)布會(huì)結(jié)束了，其重點(diǎn)內(nèi)容可以被簡單歸納為三點(diǎn)： （1）引力波終于被探測到了。 （2）引力波產(chǎn)生于兩個(gè)恒星量級(jí)黑洞的合并(merger)。 （3）引力波是美國的激光干涉引力波天文臺(tái)（英文簡稱LIGO）發(fā)現(xiàn)的。
接下來，讓我們逐個(gè)分析和解釋一下以上三點(diǎn)，從而對(duì)這項(xiàng)具有劃時(shí)代意義的科學(xué)發(fā)現(xiàn)做一個(gè)稍微深入的了解：
（圖1注：雙黑洞系統(tǒng)想象圖。（來源于LIGO網(wǎng)站）） 天外飄來引力波
對(duì)于“波”，我們并不陌生，生活中時(shí)常會(huì)聽到無線電波、電磁波、聲波、光波等等，引力波也是波的一種。
既然稱之為引力波，它必然與引力有關(guān)。所以，在更深一步了解引力波之前，我們需要了解一下人類對(duì)于引力的認(rèn)識(shí)過程。17世紀(jì)末的物理學(xué)家牛頓看到了下落的蘋果，意識(shí)物體之間普遍存在的一種力，稱之為“引力”，并且將其數(shù)學(xué)化，這就是我們熟知的萬有引力。萬有引力認(rèn)識(shí)的精髓是物體質(zhì)量的存在導(dǎo)致了引力，這在牛頓之后的兩百多年里被認(rèn)為是宇宙間的絕對(duì)真理。直到1905年狹義相對(duì)論發(fā)表，再到1915年廣義相對(duì)論的發(fā)表，愛因斯坦提出了一種完全不同的對(duì)于引力的看法，引力是因?yàn)橘|(zhì)量對(duì)于時(shí)空造成了變形所導(dǎo)致，而非質(zhì)量之間的吸引。這就意味著，我們時(shí)空可被當(dāng)做一種可以變形的介質(zhì)來認(rèn)識(shí)。所以引力波，簡單來說，就是時(shí)空自身的波動(dòng)。相比較我們熟知的無線電波（或者電磁波），它僅僅是在時(shí)空之中傳播的，時(shí)空是它的媒介。
人們常說“星辰大?！?，如果將時(shí)空視作海洋，那么天體就如同海洋生物一般?？梢韵胂?，如果大海中的某個(gè)生物搖了搖尾巴、或是晃了晃頭，海水由此所產(chǎn)生的波動(dòng)就會(huì)向外傳播。與此類似，宇宙中某個(gè)天體的劇烈活動(dòng)，會(huì)對(duì)所在的時(shí)空產(chǎn)生擾動(dòng)，時(shí)空自身的波動(dòng)也會(huì)向遠(yuǎn)處傳播，如果足夠強(qiáng)，就能夠?yàn)榈厍蛏系奈覀兯兄?br /> 在引力的世界中，我們的宇宙通常是平靜的。可是在北京時(shí)間2015年9月14日17點(diǎn)50分45秒，地球上的LIGO探測器卻探測到了來自于宇宙深處距離地球13億光年之外的一場引力風(fēng)暴，來自于一個(gè)雙黑洞系統(tǒng)的合并，以它的探測日期命名為 GW150914。

（圖2注：LIGO的兩個(gè)觀測站探測到了同一個(gè)引力波事件。上面為觀測得到的曲線，下面是和理論相比較之后的擬合結(jié)果。（來源于LIGO所發(fā)文章））

兩個(gè)黑洞的“火并”
此次發(fā)布會(huì)的另外一個(gè)亮點(diǎn)就是雙黑洞。這也是人們首次直接發(fā)現(xiàn)雙黑洞，這兩個(gè)黑洞的質(zhì)量分別為26和39太陽質(zhì)量，屬于恒星級(jí)黑洞?；蛟S你已經(jīng)聽膩了黑洞，生活中時(shí)不時(shí)的會(huì)聽到某某黑洞爆發(fā)了，某某黑洞吞吃恒星了等等。但是這此發(fā)現(xiàn)卻有些不同，兩個(gè)天體都是黑洞，互相繞轉(zhuǎn)，最后合并。這聽起來像是一場黑吃黑的火拼，甚至有點(diǎn)兒像港片里熟悉的火爆場面。黑洞合并產(chǎn)生了非常強(qiáng)烈的時(shí)空振蕩，所以我們遙遠(yuǎn)的地球才觀測到了。
黑洞通常認(rèn)為是大質(zhì)量（超過25個(gè)太陽質(zhì)量，請(qǐng)注意這是前身星的質(zhì)量）的恒星在其演化的最終階段，恒星中心會(huì)形成我們了解的恒星級(jí)黑洞。它們的質(zhì)量通常預(yù)計(jì)在3個(gè)太陽質(zhì)量到100個(gè)太陽質(zhì)量之間。因?yàn)楹诙幢旧頉]有任何的輻射（不考慮量子效應(yīng)下的霍金輻射，它的電磁輻射也是異常微弱），所以我們不能直接看到黑洞。我們的銀河系或者其他類似的星系當(dāng)中當(dāng)中，每個(gè)星系都預(yù)計(jì)存在著上千萬個(gè)恒星級(jí)黑洞，但是絕大多數(shù)的黑洞都是孤獨(dú)存在的天體，如同幽靈般，沒有任何輻射或者輻射及其微弱，所以很難被看到。
所幸，有的黑洞處于雙星系統(tǒng)當(dāng)中，就像發(fā)布會(huì)中提及的系統(tǒng)，而且另外一個(gè)天體是正常的恒星（也稱之為伴星）。在這種情形之下，黑洞會(huì)從正常恒星上吸積氣體，在其周圍產(chǎn)生一個(gè)吸積盤，以至于某些時(shí)候吸積氣體的量過多，不能被黑洞直接吞掉，這時(shí)還會(huì)沿著黑洞的兩個(gè)轉(zhuǎn)軸將多余的氣體拋射出去，從而產(chǎn)生非常壯觀的噴流。正是因?yàn)槲e盤和噴流的存在，他們都能夠產(chǎn)生我們非常熟知的電磁輻射（也就是有我們熟知的光子產(chǎn)生），從而我們利用傳統(tǒng)的探測方式，比如地面或者太空的望遠(yuǎn)鏡，就可以間接地探測黑洞的存在。
大約在50年前，人類就是利用此方法發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)黑洞候選體，天鵝座X-1 (Cygnus X-1)。在1974年，地球上兩顆聰明的大腦、理論物理學(xué)家霍金和好朋友基普?索恩就這個(gè)候選體是不是黑洞而打了個(gè)賭，他們以一年的成人雜志《閣樓》作為賭注。后來的觀測是利用天鵝座X-1中的伴星運(yùn)動(dòng)測得了黑洞質(zhì)量，大約為15個(gè)太陽質(zhì)量，從而霍金認(rèn)輸并且在兩人的賭書上簽名按上了自己的手印?；?索恩從那時(shí)起就贏了。
對(duì)于雙黑洞系統(tǒng)，他們幾乎不會(huì)產(chǎn)生能夠?yàn)閭鹘y(tǒng)方式所觀測到的光子。所以，即使它們存在，僅憑借傳統(tǒng)的觀測方式，我們也無法發(fā)現(xiàn)他們。況且，很多的人都懷疑它的存在。但是，在雙黑洞繞轉(zhuǎn)，尤其是合并之時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的引力波。只要引力波探測器足夠靈敏，我們就可以發(fā)現(xiàn)它們的蹤影。面對(duì)大家的懷疑，LIGO的發(fā)現(xiàn)用事實(shí)證明了它的存在。而此次發(fā)現(xiàn)引力波的天文臺(tái)的創(chuàng)建人之一就是基普?索恩——索恩教授又一次贏了！

引力波為黑洞做名片
在觀測到了完整的引力波形之后，利用一種叫做匹配濾波（waveform matching）的方法，理論上就可以推斷出系統(tǒng)的性質(zhì)信息，包括合并之前和之后。比如，對(duì)于雙黑洞系統(tǒng)，可以推斷出合并之前的黑洞質(zhì)量，自旋和軌道，以及合并之后的質(zhì)量和自旋。此次新聞發(fā)布會(huì)中所提及的引力波事件，就得到黑洞的質(zhì)量在合并之前是26個(gè)和39個(gè)太陽質(zhì)量，合并之后是62個(gè)太陽質(zhì)量（合并之前的兩個(gè)黑洞自旋參數(shù)值限制的并不是很好），合并后黑洞是一個(gè)克爾黑洞，其自旋參數(shù)值為0.67。

你或許會(huì)有疑問，合并之后怎么少了3個(gè)太陽質(zhì)量，它跑到什么地方去了？引力波也是攜帶能量的，在黑洞合并之時(shí)，它的形狀非常不對(duì)稱，不是我們看到的單個(gè)黑洞的球形，所以在振蕩恢復(fù)的過程當(dāng)中，一部分質(zhì)量就通過引力波的方式輻射出去，從而為我們所接收。合并的時(shí)間非常之短，僅僅在大約0.05秒的時(shí)間，就將3個(gè)太陽質(zhì)量（大約6.0E30公斤）的能量就通過引力波的方式釋放出去，也就是說在一秒鐘可以釋放出大約10^32公斤的能量。相比較之下，我們的整個(gè)宇宙包含了大約1.0E22個(gè)太陽，而每個(gè)太陽每秒鐘向外輻射大約4.0E9公斤的物質(zhì)能量，所以黑洞合并的最后釋放出比整個(gè)宇宙每秒鐘輻射出的電磁總能量還要高出3倍。
（圖3注：雙黑洞系統(tǒng)在不同階段所產(chǎn)生波形隨時(shí)間演化圖。雙黑洞系統(tǒng)的演化包括三個(gè)階段：旋近(inspiral), 合并（merger）和鈴振（ring down）階段。（來源于LIGO所發(fā)文章））

我們注意到，合并前黑洞的質(zhì)量為26個(gè)和39個(gè)太陽質(zhì)量——這兩個(gè)質(zhì)量都比目前已知的恒星級(jí)黑洞要重許多。我們現(xiàn)在已經(jīng)確認(rèn)了大約20多個(gè)恒星級(jí)黑洞，最重的恒星級(jí)黑洞位于M33 X-7系統(tǒng)中，為16個(gè)太陽質(zhì)量。而其它所有確定的黑洞質(zhì)量均比這個(gè)小，大多數(shù)是七八個(gè)太陽質(zhì)量左右。盡管理論之前預(yù)言了更大質(zhì)量的黑洞的存在，但是之前從來還沒有發(fā)現(xiàn)過，所以此次發(fā)現(xiàn)更大質(zhì)量黑洞，對(duì)于黑洞的形成渠道也有著重要影響。
我們所看到的所有恒星，都是處于旋轉(zhuǎn)當(dāng)中。所以對(duì)于那些由恒星塌縮而形成的黑洞而言，它們也是處在旋轉(zhuǎn)之中。對(duì)于黑洞的旋轉(zhuǎn)，天文學(xué)家用一個(gè)叫做“自旋參數(shù)”的量來表示，它在0和1之間變化——0代表了沒有轉(zhuǎn)動(dòng)的黑洞（也叫“史瓦西黑洞”），而1代表了理論上黑洞所具有的轉(zhuǎn)動(dòng)最大值（也叫“極端克爾黑洞”）。對(duì)于此次觀測中合并以后的黑洞，它的自旋參數(shù)為0.67。如果我們以轉(zhuǎn)速來描述，它在以每秒鐘100轉(zhuǎn)的速率轉(zhuǎn)動(dòng)。相較而言，我們剛才提到的人類第一個(gè)黑洞“天鵝座X-1”， 它是一個(gè)極端克爾黑洞，差不多在以超過1000轉(zhuǎn)每秒的速率轉(zhuǎn)動(dòng)。
如果你覺得轉(zhuǎn)速依舊很難理解，那我們可以想象一下《星際穿越》電影的一個(gè)情節(jié)，主人公在卡剛都亞黑洞的行星上只呆了3個(gè)小時(shí)，但是后來卻發(fā)現(xiàn)飛船上已經(jīng)過了23年，時(shí)間相差了6萬倍。要有這樣巨大的時(shí)間差，其中條件就行星極度靠近黑洞的同時(shí)，黑洞也以最大速度轉(zhuǎn)動(dòng)。按照相對(duì)論理論所言，這樣行星上的時(shí)間就會(huì)被極大的拉長。天鵝座黑洞的轉(zhuǎn)速就具有類似于電影中卡剛都亞黑洞那樣的轉(zhuǎn)速。對(duì)于此次引力波探測到黑洞而言，即使有某個(gè)行星在其周圍最靠近的穩(wěn)定存在，那么對(duì)于它的時(shí)間也會(huì)流逝的很慢，不過不會(huì)有6萬倍那么大的差別，最多也就2倍左右。
對(duì)于黑洞而言，有著非常著名的無毛定理，也就是說黑洞只需要簡單的幾個(gè)量就可以描述。對(duì)于宇宙當(dāng)中的黑洞，只需要我們上面所說的質(zhì)量和自旋參數(shù)就可以完整的描述。當(dāng)我們知道了黑洞的質(zhì)量和自旋參數(shù)一些性質(zhì)時(shí)，我就可以很容易的對(duì)黑洞本身的全貌做出一個(gè)描繪，就如同給出了一個(gè)人的完整自畫像。而引力波的方法可以快速給出黑洞的完整信息，這相比較傳統(tǒng)的觀測方式，更為有效，盡管在觀測方面有些困難。
氫原子的百億分之一
從預(yù)言到探測，物理學(xué)家等待引力波的到來已有一百年之久，為什么引力波這么難得一見？主要原因是，相比較其他的幾種力（強(qiáng)力，弱力，電磁力），引力是最弱的，相應(yīng)的引力波效應(yīng)也就很弱。想當(dāng)初愛因斯坦在發(fā)表自己新的理論之后，就估算了引力波的強(qiáng)度。引力波的強(qiáng)度通常利用相對(duì)變形大小來表示，但是結(jié)果往往是小的可憐，幾乎無法探測到。引力波是時(shí)空的自身變形，在一個(gè)方向上被拉伸，在其垂直的另外一個(gè)方向上就會(huì)被壓縮。如果我們有一天，我們被同樣的雙黑洞系統(tǒng)在合并時(shí)所產(chǎn)生的引力波（變化強(qiáng)度為1.0E-21）所擊中的話，理論上來說，我們同樣會(huì)經(jīng)歷一個(gè)稍微變高變瘦，然后變胖變矮一些的過程。實(shí)際上，對(duì)我們身高不超過2米的人類來說，導(dǎo)致的變化大約為2E-21，為一個(gè)氫原子的五百億分之一（一個(gè)氫原子的大小大約為1.0E -10米）。
引力波的效應(yīng)是如此之小，所以一方面需要增加探測的長度，來增強(qiáng)變化的效應(yīng)，另外一方面通過巧妙的方法來探測到微小的變化。這也是此次新聞發(fā)布會(huì)中提到的激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)在建造之初所考慮的。它有兩個(gè)觀測點(diǎn)，分別建在美國華盛頓州的列文斯頓和路易斯安那州的漢福德。每個(gè)觀測點(diǎn)都有兩個(gè)互相垂直，每條長達(dá)4公里的臂。長臂中間是高度真空的管子，而在長臂兩端，懸掛著大約直徑34厘米、重達(dá)40kg的反射鏡。LIGO的探測器利用激光干涉技術(shù)，不間斷地測量每對(duì)反射鏡之間的距離。每當(dāng)引力波通過探測器時(shí)，人們會(huì)探測到兩對(duì)反射鏡之間的距離呈現(xiàn)此消彼長的周期性變化。
即使對(duì)于LIGO天文臺(tái)4公里的長臂，引力波所造成的變化也是極其微小的。對(duì)于此次新聞報(bào)道中的雙黑洞合并，其可能產(chǎn)生的尺度相對(duì)變化最高可為1.0E-21，意味著4公里的長度也僅僅只變化了一個(gè)氫原子直徑的2.5千萬分之一。為了達(dá)到這個(gè)精度，LIGO的科學(xué)家做了許多精密的設(shè)計(jì)，保證探測系統(tǒng)的穩(wěn)定，保證LIGO反射鏡的位置隨機(jī)漲落小于一個(gè)氫原子大小的百億分之一，從而保證可以相對(duì)比較容易的探測到可能的引力波源。
LIGO在1999年建成并且開始運(yùn)行。但是在進(jìn)行升級(jí)之前（也就是2010年），沒有探測到任何確定的引力波事件。從2010年開始，LIGO對(duì)探測器進(jìn)行了第二階段的升級(jí)，2015年6月進(jìn)行測試運(yùn)行，2015年9月開始正式運(yùn)行，第一階段的科學(xué)運(yùn)行一直持續(xù)到2016年1月，升級(jí)后的版本被稱為Advanced LIGO （簡稱aLIGO）。而此次新聞發(fā)布會(huì)的結(jié)果其實(shí)就是在剛剛升級(jí)完之后，由還在進(jìn)行測試中的的aLIGO所探測到的。相比較之前，aLIGO的探測靈敏度提高了10倍。而且此次的雙黑洞所產(chǎn)生的引力波強(qiáng)度就在僅僅比最初LIGO的靈敏度低一些，所以當(dāng)LIGO的升級(jí)剛剛完成，在試運(yùn)行的階段就發(fā)現(xiàn)了所報(bào)道的雙黑洞系統(tǒng)。探測到引力波似乎就在本來的預(yù)料當(dāng)中。就像發(fā)布會(huì)中所言，這或許是大自然給我們苦盼許久的一份禮物。2012年，LIGO天文臺(tái)創(chuàng)建人基普?索恩在《科學(xué)》雜志的一篇評(píng)論文章中說，預(yù)計(jì)在2017年，第一例黑洞合并的事例將會(huì)被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)預(yù)計(jì)LIGO的升級(jí)會(huì)在2016年底完成，結(jié)果是升級(jí)進(jìn)度超前，讓我們提前聽到了宇宙時(shí)空的聲音。

（圖4注：LIGO和aLIGO靈敏度比較（左）；LIGO和aLIGO探測范圍比較(右)。（圖片來源于LIGO網(wǎng)站））
誰將撼動(dòng)時(shí)空
那么在我們的星辰大海中，什么樣的天體才能夠撼動(dòng)我們的這個(gè)宇宙時(shí)空，讓位于遙遠(yuǎn)地球上的LIGO探測到呢？現(xiàn)在通常認(rèn)為有如下四種： （1）旋進(jìn)(In-spiral)或者合并的致密星雙星系統(tǒng)。比如中子星或者黑洞的雙星系統(tǒng)。非常類似于發(fā)布會(huì)當(dāng)中的系統(tǒng)。
（2）快速旋轉(zhuǎn)的致密天體。這類天體會(huì)通過周期性的引力波輻射損失掉角動(dòng)量，它的信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)隨著非對(duì)稱的程度增加而增加。可能的候選體包括非對(duì)稱的中子星之類的。在《星際穿越》電影當(dāng)中，教授說它發(fā)現(xiàn)了引力波，而它的其中一個(gè)產(chǎn)生機(jī)制很可能就是由一個(gè)快速轉(zhuǎn)動(dòng)的中子星，其表面大約2厘米的凸起所產(chǎn)生的（具體分析可以參閱由基普?索恩撰寫的星際穿越一書）。
（3）隨機(jī)的引力波背景。非常類似于我們通常熟知的宇宙背景輻射，這一類背景引力波，也通常叫做原初引力波，它是早期宇宙暴漲的遺跡。2014年由加州理工、哈佛大學(xué)等幾個(gè)大學(xué)的研究人員所組成的BICEP2團(tuán)隊(duì)曾宣稱利用南極望遠(yuǎn)鏡找到了原初引力波，但是后來證實(shí)為銀河系塵埃影響的結(jié)果。原初引力波的探測將是對(duì)暴脹宇宙模型的直接驗(yàn)證，對(duì)于它的探測依舊在努力尋找之中。
（4）超新星或者伽馬射線暴爆發(fā)。恒星爆發(fā)時(shí)非對(duì)稱性動(dòng)力學(xué)性質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生引力波。而直接探測到來自于這些天體的引力波，將是提供對(duì)這些天體最直接而且最內(nèi)部的信息。
除過LIGO之外，還有意大利的VIRGO引力波探測器，日本的KAGRA探測器以及英國德國的聯(lián)合GEO-HF探測器。相信在不遠(yuǎn)的未來，引力波的探測事例會(huì)如同春筍般爆發(fā)，越來越多。
（圖5注：全球引力波天文臺(tái)分布（來源于LIGO網(wǎng)站）。）
為一窺宇宙初生
毫無疑問引力波是對(duì)廣義相對(duì)論的一個(gè)最直接的驗(yàn)證。另外它在弱場中已經(jīng)得到驗(yàn)證，但是對(duì)已強(qiáng)引力之下的驗(yàn)證，之前卻從來沒有驗(yàn)證過。所以此次的觀測，是對(duì)廣義相對(duì)論的一個(gè)非常好的檢驗(yàn)。引力波以光速傳播，它與物質(zhì)的相互作用非常非常的弱，所以引力波可以給我們提供我們宇宙幾乎無阻擋的圖景，而這個(gè)幾乎是無法利用我們熟知的電磁波來達(dá)到的。比如，利用引力波，我們可以看到宇宙的最早期，宇宙大爆炸之后的1.0E-36秒開始的宇宙形成過程，而對(duì)于電磁波而言，它最早只能看到大爆炸后的大約300，000之后的宇宙歷史，在此之前，電磁波是不能給我們提供的。所以引力波是我們了解我們宇宙形成的最好工具。
如果還記得，在《星際穿越》電影中的結(jié)尾之時(shí)，主人公庫珀身處一個(gè)5維時(shí)空的超體方體中，為了將從黑洞中心所提取出來的信息傳遞給身處4維時(shí)空的女兒墨菲，人為的制造引力波效應(yīng)，成功將信息傳遞，從而人類得以解救。引力波從目前物理學(xué)家的認(rèn)識(shí)來看，是唯一一種可以在不同維度傳播的波。不同宇宙之間的碰撞，會(huì)產(chǎn)生引力波。說不定在不遠(yuǎn)的將來，我們也可以依靠引力波來判斷多重宇宙的存在與否。
就如同一個(gè)天生的聾啞人，一直在聽別人說聲音的存在，突然有一天聽力恢復(fù)了。我想我們此刻的心情也是差不多如此。引力波給我們打開了一扇全新的窗口。引力波是一種方式，是一種看待世界的方式。歷史的發(fā)現(xiàn)軌跡告訴我們，每一扇新的窗口被打開，都會(huì)有令人稱奇的發(fā)現(xiàn)。雖然LIGO的探測能力還是有限，一旦這個(gè)引力波的世界被撬開了一道小的裂縫，讓我們看到了春天的種子，相信碩果累累的引力波豐收季節(jié)也不會(huì)太遠(yuǎn)。